WO2021005836A1 - 光接続装置 - Google Patents

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WO2021005836A1
WO2021005836A1 PCT/JP2020/011250 JP2020011250W WO2021005836A1 WO 2021005836 A1 WO2021005836 A1 WO 2021005836A1 JP 2020011250 W JP2020011250 W JP 2020011250W WO 2021005836 A1 WO2021005836 A1 WO 2021005836A1
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light
core
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薫 松山
伸 増田
Original Assignee
株式会社アドバンテスト
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device

Definitions

  • the present invention relates to a structure in which an optical element receives light that has passed through an optical fiber.
  • the optical connection device includes an optical fiber in which the normal of the end face forms an angle of 51 ° or more and 54 ° or less with respect to the core, and a light receiving surface that propagates through the core and receives light reflected by the end face. It is configured to include a light receiving element having the above.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the optical connection device 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the optical connection device 1 according to the embodiment of the present invention includes an optical fiber 10 and a light receiving element 20.
  • the optical fiber 10 has an end face 11, a core 12, and a clad 13.
  • Light L1 propagates to the core 12 toward the end face 11.
  • the angle ⁇ formed by the normal line 11n of the end face 11 with respect to the core 12 is 51 ° or more and 54 ° or less.
  • the end face 11 is inclined with respect to the core 12, for example, by polishing the end portion of the optical fiber 10.
  • the clad 13 covers the core 12.
  • the light receiving element 20 is, for example, a photodiode, and has a light receiving surface 22 in which the light L1 propagating through the core 12 receives the light L2 reflected by the end face 11.
  • the normal line 22n of the light receiving surface 22 is orthogonal to the core 12.
  • the angle ⁇ is also the angle formed by the normal line 22n of the light receiving surface 22 and the end surface 11.
  • Light L1 propagates through the core 12 and heads toward the end face 11.
  • the light L1 is totally reflected by the end face 11. This totally reflected light is called light L2.
  • a part of the light L2 is reflected by the clad surface of the optical fiber 10 (reflected light L3).
  • a part of the light transmitted through the clad surface is reflected by the light receiving surface 22 (reflected light L4).
  • most of the light L2 passes through the clad surface and is incident on the light receiving surface 22.
  • the reflected light L3 and the reflected light L4 escape to the outside of the optical fiber 10 and do not return to the core 12.
  • the variation in loss due to polarization rotation (PDL) at the incident angle ⁇ 1 is ⁇ 10 log 10 (1- (Rs ⁇ Rp)) [dB].
  • the angle ⁇ [rad] ⁇ / 4 + (1/2) sin -1 ((n1 / nf) ⁇ sin ⁇ 1) (where nf is the refractive index of the clad of the optical fiber 10).
  • the total reflection angle is sin -1 (n1 / nf).
  • the beam divergence angle of the optical fiber 10 (the angle at which the optical power becomes 1 / e 2 of the peak) is tan -1 ( ⁇ / ( ⁇ ⁇ ⁇ 0 ⁇ n1)) (where ⁇ 0 is the mode field radius and ⁇ is Light L1 wavelength).
  • the optical power becomes (1 / (2 ⁇ ) 1/2) ⁇ exp (-x 2/2). This is 1 / e 2 of the peak, and x is ⁇ 2.
  • x is the coordinates in the x direction (the extending direction of the core 12).
  • the ratio ⁇ of total reflection to the light receiving element 20 is as shown in the following equation (1).
  • a in the formula (1) is ((2 ⁇ ⁇ ⁇ 0 ⁇ n1) / ⁇ ) tan ( ⁇ -sin -1 (n1 / nf)).
  • Optical connection device 10 Optical fiber 11 End face 11n Normal 12 Core 13 Clad ⁇ Angle 20
  • Light receiving element 22 Light receiving surface 22n Normal L1, L2 Light L3, L4 Reflected light

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Abstract

低結合損失、低反射減衰量かつ偏波依存損失の変動が少ない光接続を提供する。 光接続装置１が、端面１１の法線１１ｎがコア１２に対してなす角度θが５１°以上５４°以下である光ファイバ１０と、コア１２を伝播して端面１１により反射された光Ｌ２を受ける受光面２２を有する受光素子２０とを備える。受光面２２の法線２２ｎが、コア１２と直交し、端面１１が研磨によりコア１２に対して傾斜している。

Description

光接続装置
　本発明は、光ファイバを通過した光を光学素子に受光させる構造に関する。
　従来より、光ファイバを通過した光を光学素子に受光させる構造が知られている（例えば、特許文献１、２、３および４を参照）。このような構造においては、光学素子の受光面に対して、光ファイバの端面を斜めにする。
特開２００３－２７９７６１号公報 特開２０１５－１３２６５３号公報 特開２００９－３００８２４号公報 特開２０１０－０２６５０５号公報
　しかしながら、上記のような従来技術は、低結合損失、低反射減衰量かつ偏波依存損失の変動が少ないという構造ではない。
　そこで、本発明は、低結合損失、低反射減衰量かつ偏波依存損失の変動が少ない光接続の提供を課題とする。
　本発明にかかる光接続装置は、端面の法線がコアに対してなす角度が５１°以上５４°以下である光ファイバと、前記コアを伝播して前記端面により反射された光を受ける受光面を有する受光素子とを備えるように構成される。
　上記のように構成された光接続装置によれば、光ファイバが、端面の法線がコアに対してなす角度が５１°以上５４°以下である。受光素子が、前記コアを伝播して前記端面により反射された光を受ける受光面を有する。
　なお、本発明にかかる光接続装置は、前記受光面の法線が、前記コアと直交するようにしてもよい。
　なお、本発明にかかる光接続装置は、前記端面が研磨により前記コアに対して傾斜するようにしてもよい。
本発明の実施形態にかかる光接続装置１の断面図である。 角度θと、結合損失、反射減衰量および偏波依存損失変動との関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明の実施形態にかかる光接続装置１の断面図である。本発明の実施形態にかかる光接続装置１は、光ファイバ１０、受光素子２０を備える。
　光ファイバ１０は、端面１１、コア１２、クラッド１３を有する。コア１２には、光Ｌ１が伝播して、端面１１に向かう。端面１１の法線１１ｎがコア１２に対してなす角度θが５１°以上５４°以下である。端面１１は、例えば、光ファイバ１０の端部が研磨されることによりコア１２に対して傾斜する。なお、クラッド１３はコア１２を覆う。
　受光素子２０は、例えばフォトダイオードであり、コア１２を伝播した光Ｌ１が、端面１１により反射された光Ｌ２を受ける受光面２２を有する。なお、受光面２２の法線２２ｎが、コア１２と直交する。
　なお、角度θは、受光面２２の法線２２ｎと、端面１１とがなす角度でもある。
　次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
　光Ｌ１がコア１２を伝播して、端面１１に向かう。光Ｌ１は、端面１１により全反射される。この全反射された光を光Ｌ２という。光Ｌ２は、光ファイバ１０のクラッド面でその一部が反射される（反射光Ｌ３）。さらにクラッド面を透過した光の一部が、受光面２２により反射される（反射光Ｌ４）。ただし、光Ｌ２の多くが、クラッド面を透過し、受光面２２に入射する。なお、反射光Ｌ３および反射光Ｌ４は、光ファイバ１０の外部に逃げ、コア１２には戻らない。
　本発明の実施形態によれば、角度θが５１°以上５４°以下であるため、角度θが４５°の場合と異なり、クラッド面での反射（反射光Ｌ３）が、光ファイバ１０の外部に逃げて、コア１２に戻らない。このため、コア１２に戻る光のパワー（反射減衰量）は、ほぼ０となる。また、角度θが５１°以上５４°以下であるため、角度θが４５°の場合と異なり、光Ｌ１が端面１１により全反射されるため、結合損失を低くすることができる。偏波依存損失の変動は受光面２２に垂直に光を入射した場合に最小になるが、入射角が20°程度とわずかであるため、変動は0.2dB未満とほとんど起こらない。
　すなわち、本発明の実施形態によれば、低結合損失、低反射減衰量かつ偏波依存損失の変動が少ない光接続を提供できる。
　図２は、角度θと、結合損失、反射減衰量および偏波依存損失変動との関係を示すグラフである。角度θが５１°以上５４°以下のときに、低結合損失、低反射減衰量かつ偏波依存損失の変動が少ないことが分かる。
　ただし、偏波依存損失変動（ＰＤＬ）は、以下のようにして求める。
　まず、空気の屈折率をｎ１、受光素子２０の屈折率をｎ２、受光面２２への入射角をθ１、受光面２２の屈折角をθ２とする。スネルの法則より、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２である。
　フレネルの式より、Ｐ波の反射ＲｐおよびＳ波の反射Ｒｓは、Ｒｐ＝（（ｎ２ｃｏｓθ１－ｎ１ｃｏｓθ２）／（ｎ２ｃｏｓθ１＋ｎ１ｃｏｓθ２））２であり、Ｒｓ＝（（ｎ１ｃｏｓθ１－ｎ２ｃｏｓθ２）／（ｎ１ｃｏｓθ１＋ｎ２ｃｏｓθ２））２である。
　よって、入射角θ１における偏波回転による損失の変動（ＰＤＬ）＝－１０ｌｏｇ１０（１－（Ｒｓ－Ｒｐ））[dB]である。ただし、角度θ[rad]＝π／４＋（１／２）ｓｉｎ－１（（ｎ１／ｎｆ）・ｓｉｎθ１）である（ただし、ｎｆは光ファイバ１０のクラッドの屈折率）。
　また、結合損失（ＬＯＳＳ）は、以下のようにして求める。
　全反射角はｓｉｎ－１（ｎ１／ｎｆ）である。
　光ファイバ１０のビーム拡がり角（光パワーがピークの１／ｅ２となる角度）は、ｔａｎ－１（λ／（π・ω０・ｎ１））である（ただし、ω０はモードフィールド半径、λは光Ｌ１の波長）。光Ｌ１を標準正規分布とみなすと、光パワーは（１／（２π）１／２）・ｅｘｐ（－ｘ２／２）となる。これが、ピークの１／ｅ２となるｘは±２である。ただし、ｘはｘ方向（コア１２の延伸方向）の座標である。
　よって、受光素子２０へ全反射する割合ηは、以下の式（１）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　ただし、式（１）におけるＡは、（（２π・ω０・ｎ１）／λ）ｔａｎ（θ－ｓｉｎ－１（ｎ１／ｎｆ））である。
　これに、クラッド面での反射損を加味すると、結合損失（Ｌｏｓｓ）＝－１０ｌｏｇ１０（η×（１－（（ｎｆ－ｎ１）／（ｎｆ＋ｎ１））２））[dB]である。
　反射減衰量（ＲＬ）は、以下のようにして求める。
　ｄを光ファイバ１０の直径とすると、クラッド面での反射の反射減衰量は、ｘ方向のずれ２×（ｄ／２）×ｔａｎθ１＝ｄｔａｎθ１、ｚ方向（法線２２ｎの延伸方向）のずれｄのときの軸ずれ反射光結合効率にフレネル反射を乗じたものに近似できる。
　よって、反射減衰量（ＲＬ）は、１０ｌｏｇ１０（反射光結合効率×フレネル反射）であるところ、反射光結合効率＝κｅｘｐ（（－κｄ２ｔａｎ２θ１）／ω０２）×η、フレネル反射＝（（ｎｆ－ｎ１）／（ｎｆ＋ｎ１））２なので、ＲＬ＝１０ｌｏｇ１０（κｅｘｐ（（－κｄ２ｔａｎ２θ１）／ω０２）×η×（（ｎｆ－ｎ１）／（ｎｆ＋ｎ１））２）[dB]である。ただし、κ＝４／（４＋（λｚ／（πω０２））２）である。
　なお、図２においては、ｎ１＝１．０、ｎ２＝３．０、ｎｆ＝１．４６７７、ω０＝５[μm]、λ＝１．３１[μm]、ｄ＝１２５[μm]として上記の計算を行っている。
　１　光接続装置
　１０　光ファイバ
　１１　端面
　１１ｎ　法線
　１２　コア
　１３　クラッド
　θ　角度
　２０　受光素子
　２２　受光面
　２２ｎ　法線
　Ｌ１、Ｌ２　光
　Ｌ３、Ｌ４　反射光

Claims (3)

  1. 　端面の法線がコアに対してなす角度が５１°以上５４°以下である光ファイバと、
    　前記コアを伝播して前記端面により反射された光を受ける受光面を有する受光素子と、
    　を備えた光接続装置。
  2. 　請求項１に記載の光接続装置であって、
    　前記受光面の法線が、前記コアと直交する、
    　光接続装置。
  3. 　請求項１に記載の光接続装置であって、
    　前記端面が研磨により前記コアに対して傾斜する、
    　光接続装置。
PCT/JP2020/011250 2019-07-05 2020-03-13 光接続装置 WO2021005836A1 (ja)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5548718A (en) * 1978-09-28 1980-04-08 Australian Telecomm Joint plug of optical fiber
EP2713189A1 (en) * 2012-09-28 2014-04-02 CCS Technology, Inc. Optical fiber, light coupling unit and method

Patent Citations (2)

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