WO2023167065A1 - ファンイン／ファンアウトデバイス - Google Patents

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WO2023167065A1
WO2023167065A1 PCT/JP2023/006360 JP2023006360W WO2023167065A1 WO 2023167065 A1 WO2023167065 A1 WO 2023167065A1 JP 2023006360 W JP2023006360 W JP 2023006360W WO 2023167065 A1 WO2023167065 A1 WO 2023167065A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
beam waist
lens
distance
core
cores
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/006360
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
勝博 岩崎
智晶 桐山
Original Assignee
湖北工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 湖北工業株式会社 filed Critical 湖北工業株式会社
Publication of WO2023167065A1 publication Critical patent/WO2023167065A1/ja

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Classifications

    • 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
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • 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
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends

Definitions

  • the present invention relates to fan-in/fan-out devices.
  • the present invention relates to a space-coupled fan-in/fan-out device that includes a multi-core optical fiber and a plurality of single-core optical fibers and optically couples them.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • a FIFO device is an optical device that includes a multi-core optical fiber and a plurality of single-core optical fibers and optically couples the two.
  • FIFO devices include, for example, space coupling type, fiber bundle type, and fusion drawing type devices.
  • a spatially coupled FIFO device is characterized by optically coupling a multi-core optical fiber and a single-core optical fiber using a lens (including a glass block or the like) (see Patent Document 1). In the following, the spatially coupled FIFO device is simply referred to as "FIFO device".
  • the FIFO device includes a first lens provided on the side of the multi-core optical fiber and a plurality of second lenses provided on the side of the plurality of single-core optical fibers.
  • light rays emitted from one of the multi-core optical fiber and the single-core optical fiber enter the other of the multi-core optical fiber and the single-core optical fiber via the first lens and the second lens.
  • the optical coupling loss becomes zero when the incident end face beam diameter, which is the beam diameter of the light beam at the end face of the other optical fiber, matches the mode field diameter of the optical fiber.
  • the beam waist diameter of the light beam (and Since the beam waist position) changes, the incident end face beam diameter does not match the mode field diameter, causing an increase in optical coupling loss. Therefore, when manufacturing the FIFO device, it is desirable to minimize errors in the first distance and the second distance.
  • the end face of the multi-core optical fiber may be obliquely polished in order to reduce reflected return light.
  • the first distance varies depending on the number of cores or core arrangement of the multi-core optical fiber, and as a result, the beam waist diameter varies.
  • the beam waist diameter will take two values, resulting in variations. Variation in beam waist diameter leads to increased optical coupling loss. Therefore, it is desirable to suppress an increase in optical coupling loss not only when the beam waist diameter changes due to manufacturing errors, but also when the beam waist diameter varies due to oblique polishing of the end face of the multi-core optical fiber.
  • the present invention has been made to address the above-mentioned problems. That is, one of the objects of the present invention is to provide a technique capable of suppressing an increase in optical coupling loss even when the beam waist diameter changes or the beam waist diameter varies. be.
  • the fan-in/fan-out device (10) comprises: A multi-core optical fiber (20) comprising a plurality of columnar first cores (C1 to C4) extending along an axial direction, and a common clad (CL) surrounding the plurality of first cores.
  • the beam waist diameter of each light beam emitted from the first lens (30) is defined as a first beam waist diameter (2 ⁇ 1) when it is assumed that the light beam propagates in the first traveling direction, and the chief ray of each light beam Define the distance from the first lens to the beam waist position in the traveling direction as the first beam waist distance (D1),
  • the beam waist diameter of the light beam emitted from each of the second lenses (41 to 44) is defined as the second beam waist diameter (2 ⁇ 2) when it is assumed that the light beam propagates in the second traveling direction, and the principal of the light beam is defined as
  • a second beam waist distance (D2) is defined as a distance from the second lens to the beam waist position in the direction in which the light beam travels,
  • the inter-lens distance (Z), which is the distance between the first lens (30) and each of the second lenses (41 to 44) in the traveling direction of the principal ray of light, is the first beam waist diameter (2 ⁇ 1).
  • the beam waist diameter (2 ⁇ 2) are equal to the beam waist distance sum (D1+D2), which is the sum of the first beam waist distance (D1) and the second beam waist distance (D2)
  • the maximum value of the beam waist distance sum in is defined as the distance sum maximum value (D1 + D2_max)
  • the multi-core so that the inter-lens distance (Z) is substantially equal to the maximum sum of distances (D1+D2_max), and the sum of beam waist distances (D1+D2) is 91.5% or more of the maximum sum of distances;
  • An optical fiber (20), the first lens (30), the second lens group (40), and the single core optical fiber group (50) are arranged.
  • another fan-in/fan-out device comprises: A multi-core optical fiber (20p) comprising a plurality of columnar first cores (C1 to C4) extending along an axial direction, and a common clad (CL) surrounding the plurality of first cores.
  • the beam waist diameter of each light beam emitted from the first lens (30) is defined as a first beam waist diameter (2 ⁇ 1) when it is assumed that the light beam propagates in the first traveling direction, and the chief ray of each light beam Define the distance from the first lens to the beam waist position in the traveling direction as the first beam waist distance (D1),
  • the beam waist diameter of the light beam emitted from each of the second lenses (41 to 44) is defined as the second beam waist diameter (2 ⁇ 2) when it is assumed that the light beam propagates in the second traveling direction, and the principal of the light beam is defined as
  • a second beam waist distance (D2) is defined as a distance from the second lens to the beam waist position in the direction in which the light beam travels,
  • the inter-lens distance (Z), which is the distance between the first lens (30) and each of the second lenses (41 to 44) in the traveling direction of the principal ray of light, is the first beam waist diameter (2 ⁇ 1).
  • the end surface (20ap) of the multi-core optical fiber (20p) is obliquely polished so as to be inclined by a predetermined polishing angle in a predetermined oblique direction with respect to a plane perpendicular to its central axis.
  • first beam waist diameter (2 ⁇ 1) of Each of the single-core optical fibers (51 to 54) has the second beam waist diameter (2 ⁇ 2) of the light beam corresponding to each of the single-core optical fibers with respect to each of the corresponding second lenses (41 to 44).
  • the multi-core optical fiber (20p) has the maximum beam waist diameter (2 ⁇ max) larger than the beam waist diameter at the maximum distance ( ⁇ _Dmax), and the minimum beam waist diameter (2 ⁇ min) is arranged at a position that is smaller than the beam waist diameter at the maximum distance.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a FIFO device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. Fig. 2 is a side view of a FIFO device
  • FIG. 4 is a diagram showing how a principal ray of light emitted from a certain core of a multi-core optical fiber is transmitted through the corresponding second lens
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a first beam waist diameter 2 ⁇ 1 and a first beam waist distance D1;
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a second beam waist diameter 2 ⁇ 2 and a second beam waist distance D2; 4 is a graph defining the relationship between the distance d2 from the single-core optical fiber to the corresponding second lens and the second beam waist distance D2. 10 is a graph defining the relationship between distance d2 and second beam waist radius ⁇ 2.
  • FIG. 10 is a side view showing only the obliquely polished multi-core optical fiber and the first lens in the FIFO device according to the modified example of the present invention
  • 2 is a graph that defines the relationship between the distance d1 from the center of the multi-core optical fiber to the first lens and ⁇ 1 for each light ray from the core. It is a graph which defines the relationship between ⁇ 1 having two variations.
  • 4 is a graph for explaining the beam waist distance sum D1+D2 that can suppress the coupling loss to 0.15 dB or less
  • FIG. 10 is a graph for explaining the condition satisfied by the combination of ⁇ 1 with two variations for the FIFO device according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. It is a graph which defines the relationship between ⁇ 1 having two variations.
  • FIG. 11 is a graph of a comparative example of the FIFO device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIFO device 10 (First embodiment) A FIFO device 10 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Hereinafter, the "FIFO device” is also simply referred to as the “device”.
  • FIG. 1 is a perspective view of the device 10, and FIG. 2 is a side view of the device 10.
  • the device 10 includes a multi-core optical fiber 20, a first lens 30, a second lens group 40, and a single-core optical fiber group 50.
  • FIG. These members are arranged in the above order along the axis A1.
  • An orthogonal coordinate system is set in the device 10 .
  • the z-axis extends parallel to the axis A1 so that the direction from the multi-core optical fiber 20 to the first lens 30 is the positive direction.
  • the y-axis is orthogonal to the z-axis and extends so that the upward direction of the paper surface is the positive direction.
  • the x-axis is orthogonal to the z-axis and the y-axis.
  • multi-core optical fiber and single-core optical fiber are also referred to as "MCF” and "SCF", respectively.
  • MCF multi-core optical fiber and single-core optical fiber
  • SCF single-core optical fiber
  • the MCF 20 has a cylindrical shape, and at least the center axis line at the end in the +z-axis direction coincides with the axis line A1.
  • An end face 20a (see FIG. 2) of the MCF 20 is parallel to a plane (xy plane) perpendicular to the axis A1.
  • FIG. 3 is a view of the end face 20a viewed along the central axis of the MCF 20.
  • the MCF 20 comprises four cores C1 to C4 and a common clad CL surrounding these cores C1 to C4.
  • the cores C1 to C4 are positioned at the vertices of a square centered on the center of the end face 20a and extend along the axial direction.
  • the distance between adjacent cores is 50 ⁇ m.
  • the cores C1 to C4 and the clad CL are all made of glass containing quartz as a main component.
  • the refractive indices of the cores C1 to C4 are higher than the refractive index of the clad CL.
  • MCF 20 is an optical fiber through which single-mode light rays propagate.
  • the materials of the cores C1 to C4 and the clad CL are not limited to glass containing quartz as a main component, and may be made of other materials.
  • the cylinder includes a cylinder with a curved axis.
  • the end of the MCF 20 in the +z-axis direction is inserted into and held by a cylindrical ferrule 22 .
  • the end face 22a of the ferrule 22 is located on the same plane as the end face 20a of the MCF 20. As shown in FIG. This is because the end surface 20a of the MCF 20 is polished together with the end surface 22a in a state where the ferrule 22 is inserted.
  • the MCF 20 inside the ferrule 22 is indicated by a dashed line, but illustration of the cores C1 to C4 is omitted.
  • FIG. 1 shows only the principal rays B1 to B4 of the rays emitted from the respective cores C1 to C4 (see FIG. 3), respectively, and FIG. and B3 only.
  • the principal rays of light emitted from each of the cores C1 to C4 are parallel to each other, but each emitted light is divergent light that diverges as it travels (described later).
  • light having a wavelength of 1.55 ⁇ m is used in this embodiment, the value of the wavelength is not limited to this.
  • the first lens 30 is a collimating lens with a focal length df1 of 1.3 mm, more specifically, an aspherical lens with a rotationally symmetric curved surface.
  • the first lens 30 collimates (parallelizes) the rays emitted from the respective cores C1 to C4 and diverging.
  • the optical axis of the first lens 30 is located on the central axis of the MCF 20 (that is, on the axis A1).
  • the first lens 30 deflects and emits light beams whose principal rays B1 to B4 are parallel to each other, which are emitted from the respective cores C1 to C4. In other words, the first lens 30 converges the rays from the cores C1 to C4 at the focal point f1.
  • the first lens 30 is a lens provided corresponding to the multi-core optical fiber.
  • the curved surface of the first lens 30 may be non-rotationally symmetric as long as the curved surface can deflect the light rays from the cores C1 to C4.
  • the first lens 30 may be a spherical lens, a GRIN lens, or a lens with one flat surface.
  • the second lens group 40 has the same number of second lenses 41 to 44 as the number of cores of the MCF 20 (four in this example) (see FIG. 1).
  • Each of the second lenses 41 to 44 is a collimating lens with a focal length df2 of 2.5 mm, more specifically, an aspherical lens having a rotationally symmetric curved surface.
  • the second lenses 41 to 44 are simply referred to as "lenses 41 to 44".
  • the optical axis of each lens 41 to 44 is parallel to the optical axis of the first lens 30 .
  • the principal points of the lenses 41 to 44 are located on the same plane, and the plane is perpendicular to the axis A1. Of the lenses 41 to 44, only the lenses 42 and 43 on which the principal rays B2 and B3 are incident are shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing how the principal ray B3 of the emitted light from the core C3 is transmitted through the corresponding lens 43.
  • FIG. 4 As shown in FIGS. 1, 2 and 4, the light beam from the core C3 of the MCF 20 emitted from the first lens 30 passes through the focal point f1.
  • the chief ray B3 of the ray that has passed through the focal point f1 travels straight through the focal point f2 (see FIG. 4) of the lens 43, and reaches the position Ps3 of the lens 43 at a predetermined angle of incidence (approximately 1.6° in this example).
  • Incident at The principal ray B3 incident on the position Ps3 is emitted from the lens 43 as a ray parallel to the optical axis As3 of the lens 43 (see FIG. 4).
  • the chief rays B1, B2 and B4 of the rays that have passed through the focal point f1 go straight and pass through the focal points f2 (not shown) of the lenses 41, 42 and 44, respectively. It is incident on positions Ps1, Ps2 and Ps4 of 42 and 44 at a predetermined angle of incidence (about 1.6° in this example). Principal rays B1, B2 and B4 incident on positions Ps1, Ps2 and Ps4 are emitted from lenses 41, 42 and 44 as rays parallel to the optical axes of lenses 41, 42 and 44, respectively.
  • the second lens group 40 converges the rays from the cores C1 to C4 emitted from the first lens 30 by the corresponding lenses 41 to 44 (FIGS. 1 and 2).
  • 2 shows only the principal ray).
  • the curved surfaces of the lenses 41 to 44 may be non-rotationally symmetric as long as the curved surfaces can deflect the light rays from the corresponding cores C1 to C4.
  • each of the lenses 41 to 44 may be a spherical lens, a GRIN lens, or a lens with one flat surface.
  • the SCF group 50 has the same number of SCFs 51 to 54 as the lenses 41 to 44 (four in this example) (see FIG. 1).
  • the SCFs 51 to 54 are optical fibers through which single-mode light rays propagate. Since the SCFs 51 to 54 have the same configuration, the configuration of the SCF 53 will be described below.
  • the SCF 53 has a cylindrical shape, and at least the center axis line at the end in the -z-axis direction is parallel to the optical axis As3 of the corresponding lens 43 (see FIG. 4). In addition, the SCF 53 is positioned away from the optical axis of the first lens 30 . An end surface 53a of the SCF 53 is parallel to the xy plane.
  • FIG. 5 is a view of the end surface 53a viewed along the central axis of the SCF 53.
  • the SCF 53 includes a core C extending along its central axis and clads CLs surrounding the core C.
  • Each core C of the SCFs 51 to 54 is positioned at the vertex of a square centered on the axis A1.
  • the device 10 is designed such that the pitch p2 between adjacent cores is approximately 3.1 mm.
  • Both the core C and the clad CLs are made of glass containing quartz as a main component.
  • the refractive index of the core C is higher than that of the cladding CLs.
  • the materials of the core C and clad CLs are not limited to glass containing quartz as a main component, and may be made of other materials.
  • the end of the SCF 53 in the -z-axis direction is inserted into and held by a cylindrical ferrule 63 .
  • the end face 53a of the SCF 53 is polished together with the end face 63a in a state where the ferrule 63 is inserted.
  • the end face 53a of the SCF 53 and the end face 63a of the ferrule 63 are positioned on the same plane (xy plane).
  • the SCF 53 within the ferrule 63 is indicated by a dashed line.
  • the end surface 53a of the SCF 53 is arranged at a position where the light rays from the core C3 emitted from the lens 43 converge on the core C (more strictly, on the center of the core C). That is, the SCF 53 is arranged so that the principal ray B3 is incident on the center of the core C. As shown in FIG.
  • the SCFs 51, 52 and 54 are spaced from the optical axis of the first lens 30, and their end surfaces 51a, 52a and 54a (see FIG. 1) exit from the lenses 41, 42 and 44.
  • the light beams from the cores C1, C2 and C4 are arranged at positions where they converge on the core C (more precisely, on the center of the core C). That is, the SCFs 51, 52 and 54 are arranged so that the chief rays B1, B2 and B4 are incident on the center of the core C, respectively. Thereby, the emitted light from the cores C1, C2 and C4 enters the cores C of the SCFs 51, 52 and 54 with low loss.
  • the first lens 30 and the second lens group 40 optically couple the MCF 20 and the SCF group 50 .
  • the advancing direction of the light ray mentioned above is also called “1st advancing direction.” If the light rays travel in the first direction of travel, device 10 functions as a “fan-out (FO) device.”
  • FO fan-out
  • the light ray can propagate in a direction opposite to the first direction of travel. That is, in the device 10, the light rays are emitted from the cores C of the SCFs 51 to 54 and propagated in the traveling direction such that they converge on the cores C1 to C4 of the MCF 20 via the lenses 41 to 44 and the first lens 30.
  • this direction of travel (the direction opposite to the first direction of travel) is also referred to as a “second direction of travel”. If the light rays travel in the second direction of travel, device 10 functions as a "fan-in (FI) device".
  • FI fan-in
  • a Gaussian beam is a ray whose light intensity distribution in a cross section perpendicular to the traveling direction (propagation direction) of the ray follows a Gaussian function.
  • the optical coupling loss is synonymous with the insertion loss, and may be simply referred to as "coupling loss" below.
  • FIG. 6 is a diagram showing only light rays emitted from the core C2 of the MCF 20 and deflected by the first lens 30 (that is, light rays traveling in the first traveling direction).
  • B2 represents the principal ray of the ray.
  • the light beam emitted from the core C2 is collimated by the first lens 30.
  • the light beam converges at the first beam waist position, which is a position separated from the first lens 30 by a predetermined distance, It diverges from the first beam waist position toward lens 42 .
  • the diameter of the ray (hereinafter also referred to as "beam diameter”) is the smallest at the first beam waist position.
  • the beam diameter and beam radius at the first beam waist position are respectively referred to as “first beam waist diameter 2 ⁇ 1" and "first beam waist radius ⁇ 1".
  • the distance from the first lens 30 to the first beam waist position (in other words, the length of the principal ray B2 from the first lens 30 to the first beam waist position) in the traveling direction of the principal ray B2 is 1 beam waist distance D1”.
  • the first beam waist distance D1 and the first beam waist diameter 2 ⁇ 1 substantially depend on the distance d1 (described later).
  • the beam diameter 2 ⁇ 1 is equal to the mode field diameter of the MCF 20, which is 8 ⁇ m in this embodiment.
  • the above description also applies to the rays emitted from cores C1, C3 and C4.
  • FIG. 7 is a diagram showing rays emitted from the core C of the SCF 52 and deflected by the lens 42 (that is, rays traveling in the second traveling direction).
  • the SCF 52 of FIG. 7 is the same member as the SCF 52 used in device 10, but along each of the x-, y-, and z-axis directions to illustrate the case where the ray travels in the second direction of travel. It is shown inverted.
  • the light beam emitted from the core C is collimated by the lens 42. Strictly speaking, the light beam converges at the second beam waist position, which is a position separated from the lens 42 by a predetermined distance, and passes from the second beam waist position to the first lens. Diverging toward 30.
  • the beam diameter of the light ray is minimized at the second beam waist position.
  • the beam diameter and beam radius at the second beam waist position are respectively referred to as "second beam waist diameter 2 ⁇ 2" and "second beam waist radius ⁇ 2".
  • the distance from the lens 42 to the second beam waist position (in other words, the length of the principal ray from the lens 42 to the second beam waist position) in the traveling direction of the principal ray of light emitted from the lens 42 is , is referred to as the "second beam waist distance D2".
  • the second beam waist distance D2 and the second beam waist diameter 2 ⁇ 2 substantially depend on the distance d2.
  • the beam diameter 2 ⁇ 2 is equal to the mode field diameter of the SCF 52, which is 10.4 ⁇ m in this embodiment. The above description also applies to the rays emitted from the SCFs 51, 53 and 54.
  • FIG. 8A is a graph defining the relationship between the distance d2 and the second beam waist distance D2 in the configuration of FIG. 7, and FIG. 8B shows the relationship between the distance d2 and the second beam waist radius ⁇ 2 in the configuration of FIG. It is a specified graph.
  • the second beam waist radius ⁇ 2 is maximum when the distance d2 is equal to the focal length df2 and decreases as the distance d2 increases.
  • the MCF 20 is arranged relative to the first lens 30 so that the distance d1 satisfies d1>df1
  • the SCF group 50 is arranged relative to the second lens group 40 such that the distance d2 satisfies d2>df2. be done.
  • FIG. 7 shows an example in which the light beam emitted from the core C of the SCF 52 travels in the second traveling direction via the lens 42
  • the traveling path of the light is reversible as described above. Therefore, when the light beam emitted from the core C2 of the MCF 20 travels in the first traveling direction toward the core C of the SCF 52 via the first lens 30 and the lens 42, the path of the light beam is different from the path shown in FIG. match. Therefore, each of the parameters 2 ⁇ 2 ( ⁇ 2), D2, 2 ⁇ 2 and d2 can be used even if the ray travels in the first direction of travel.
  • FIG. 9 is a diagram showing the positional relationship of the members 20, 30, 40 and 50 when the coupling loss of the device 10 is zero.
  • the coupling loss becomes zero, and the beam diameter 2 ⁇ 2 does not match the mode field diameter. coupling loss occurs. For example, if the lens 42 is shifted in the +z-axis direction in the example of FIG. 9, the beam diameter 2 ⁇ 2 will no longer match the mode field diameters of the SCFs 51 to 54, resulting in coupling loss.
  • the sum of the first beam waist distance D1 and the second beam waist distance D2 when condition 1 is satisfied is also referred to as "beam waist distance sum D1+D2".
  • errors may occur in the distances d1 and d2. If an error occurs in the distance d1, the first beam waist diameter 2 ⁇ 1 and the first beam waist distance D1 change. If an error occurs in the distance d2, the second beam waist diameter 2 ⁇ 2 and the second beam waist distance D2 change. In this case, conditions 1 and 2 may not hold, and coupling loss may increase. Therefore, even if there is a manufacturing error (variation) in the distance d1 and/or the distance d2, the coupling loss is unlikely to increase. Therefore, it is desired to develop a device in which the coupling loss is less likely to fluctuate.
  • the inventors of the present application changed the inter-lens distance Z and examined the behavior of the coupling loss by simulation.
  • the inter-lens distance Z is set to 60 mm
  • the inter-lens distance Z is set to 70 mm
  • FIG. 11C the inter-lens distance Z is set to 80.89 mm.
  • the inter-lens distance Z By setting the inter-lens distance Z to the maximum distance sum D1+D2_max, it is possible to realize a device in which the coupling loss is less likely to increase even if a manufacturing error occurs in the distance d1 and/or the distance d2.
  • the minimum value of the coupling loss of the current FIFO device (strictly speaking, FI device or FO device) is 0.15 dB.
  • the coupling loss here means the coupling loss (insertion loss) of each of the cores C1 to C4 (that is, the corresponding core C of each of the SCFs 51 to 54). Therefore, a study was conducted to suppress the maximum value of the coupling loss for each of the cores C1 to C4 to 0.15 dB or less.
  • the distance sum maximum value D1+D2_max increases as the focal length df2 increases.
  • Curves Ln5, Ln1 and Ln7 correspond to normalized curves of curve L5 (see FIG. 12A), curve L1 (see FIG. 11C) and curve L7 (see FIG. 12B), respectively.
  • Curves Ln6, Ln4 and Ln8 correspond to normalized curves of curve L6 (see FIG. 12A), curve L4 (see FIG. 11C) and curve L8 (see FIG. 12B), respectively.
  • D1+D2_norm of curve Ln7 at time was 0.913.
  • D1+D2_norm is 0.913 or more. This means that the coupling loss can be suppressed to 0.15 dB or less.
  • the inventors determined that the beam waist distance sum D1+D2 should be 91.5% or more of the distance sum maximum value D1+D2_max when the inter-lens distance Z is substantially equal to the distance sum maximum value D1+D2_max. The inventors have found that the coupling loss can be suppressed to 0.15 dB or less by arranging the members 20, 30, 40 and 50 of the device 10 at .
  • the pitch p2 is a major parameter that determines the outer shape of the device 10, and it is desired to miniaturize the device 10 by reducing the pitch p2.
  • the pitch p2 is too small, problems such as interference between the ferrules 61 to 64 (or the lenses 41 to 44) occur. For this reason, the target minimum value of the pitch p2 is generally about 3 mm.
  • the pitch p2 depends on the focal lengths df1, df2 and the distance Z between the lenses.
  • the effect that the device 10 can be made smaller (in the radial direction) can also be achieved.
  • the number of MCF cores is not limited to four, and may be, for example, five or seven. If the number of cores in the MCF is 5, the cores can be placed at the vertices and center of the square, respectively. If the number of cores in the MCF is 7, the cores can be arranged at the vertices and center of the regular hexagon, respectively. This also applies to modified examples, second embodiments, and third embodiments, which will be described later.
  • FIG. 14 is a diagram showing only the MCF 20p and the first lens 30 of the FIFO device.
  • This FIFO device differs from device 10 in that MCF 20 is replaced with MCF 20p.
  • the MCF 20p is arranged such that the end surface 20ap is inclined by a predetermined polishing angle ⁇ (8° in this example) in a predetermined tilt direction with respect to a plane (xy plane) perpendicular to the central axis. Obliquely polished. More specifically, the oblique polishing direction of the MCF 20p is the +y-axis direction.
  • the oblique polishing direction refers to one end (distal end) farther away from the first lens 30 and the other end closer to the first lens 30 among both ends of the long axis of the end surface 20ap that exhibits an elliptical shape due to oblique polishing. (proximal end) when viewed along the central axis of the MCF 20p.
  • the end face 20ap of the MCF 20p is obliquely polished together with the end face 22ap of the ferrule 22p.
  • the reflected return light caused by the reflected light at the end surface 20ap of the MCF 20p is reduced.
  • the number of cores and the core arrangement of the MCF 20p are the same as those of the MCF 20p.
  • the principal rays (in this modification, only the principal rays B2 and B3 are shown) of the rays from the respective cores C1 to C4 (not shown) emitted from the end face 20ap are yz In the plane, it is inclined at a predetermined angle ⁇ with respect to the axis.
  • the MCF 20p is shifted in the -y-axis direction by a predetermined distance with respect to the optical axis (not shown) of the first lens 30.
  • FIG. As a result, the ray angles of the principal rays B1 to B4 of the rays from the cores C1 to C4 emitted from the first lens 30 are made equal to each other.
  • the distance in the optical axis direction between the center of the end surface 20ap of the MCF 20p and the first lens 30 is defined as the distance d1.
  • the principal rays B2 and B3 and the virtual line B0 are not positioned on the same plane, they both exist on the yz plane, so they are on the same plane when viewed from the side of the MCF 20p. can be considered to be located Therefore, the distances d1(1) to d1(4) can be expressed as follows.
  • FIG. 15 is a graph defining the relationship between the distance d1 and the first beam waist radius ⁇ 1 for each light ray from the cores C1 to C4 in the configuration of FIG.
  • Curve L9 shows the behavior of rays from cores C1 and C2
  • curve L10 shows the behavior of rays from cores C3 and C4.
  • the value of the first beam waist radius ⁇ 1 for an arbitrary distance d1 is are different. That is, the first beam waist radius ⁇ 1 has two variations due to the two variations in the distance dt (although not shown, the first beam waist distance D1 also has two variations). street variations occur).
  • FIG. 16 shows a first beam waist radius ⁇ 1 (hereinafter also referred to as “ ⁇ 1(C1, C2)”) of rays from cores C1 and C2 and cores C3 and C4.
  • ⁇ 1(C1, C2) a first beam waist radius ⁇ 1
  • ⁇ 1(C3, C4) a first beam waist radius ⁇ 1
  • condition 1 (see the first embodiment) is established.
  • D1+D2 is 91.5% or more of D1+D2_max
  • the combination of ⁇ 1 (C1, C2) and ⁇ 1 (C3, C4) is not limited to the above combination, and other combinations may be adopted based on FIG. obtain.
  • n variations occur in the distance dt due to an increase in the number of cores or a change in core arrangement. That is, when the inter-lens distance Z is substantially equal to the maximum sum of distances D1+D2_max, if the sum of n beam waist distances D1+D2 is 91.5% or more of the maximum sum of distances D1+D2_max, the coupling loss is can be suppressed to 0.15 dB or less.
  • FIFO device Refers to a second embodiment of the invention.
  • the FIFO device of this embodiment is the same as the FIFO device of the modified example.
  • the beam waist radius when the beam waist distance sum D1+D2 is the distance sum maximum value D1+D2_max is defined as "beam waist radius at maximum distance ⁇ _Dmax".
  • the coupling loss can be further reduced by adjusting the distances d1 and d2.
  • D1+D2 corresponding to ⁇ 1(C1, C2) and D1+D2 corresponding to ⁇ 1(C3, C4) are not necessarily It does not need to be 91.5% or more of the distance sum maximum value D1+D2_max.
  • the combination of ⁇ 1 (C1, C2) and ⁇ 1 (C3, C4) is not limited to the above combination, and other combinations can be employed based on FIG.
  • n variations occur in the distance dt due to an increase in the number of cores or a change in core arrangement. That is, if the maximum and minimum values of the n kinds of first beam waist radii ⁇ 1 are defined as “maximum beam waist radius ⁇ max” and “minimum beam waist radius ⁇ min”, the inter-lens distance Z is substantially equal to the maximum sum of distances D1+D2_max. , any of the n coupling losses can be suppressed by adjusting the distances d1 and d2 so that ⁇ min ⁇ _Dmax ⁇ max.
  • This embodiment differs from the second embodiment in that an MCFp (not shown) is used instead of the MCF 20p and that there are two variations.
  • FIG. 19 shows the first beam waist radius ⁇ 1( ⁇ 1(C11,C12)) for rays from cores C11 and C12 and the first beam waist radius ⁇ 1( ⁇ 1(C13,C14)) for rays from cores C13 and C14. , and is a graph that defines the relationship between .
  • the maximum beam waist radius ⁇ max and the minimum beam waist radius ⁇ min have a relationship of ⁇ min ⁇ _Dmax ⁇ max (with variations In the two cases, the distances d1 and d2 are adjusted so as to satisfy the relationship ⁇ 1(C3, C4) ⁇ _Dmax ⁇ 1(C1, C2). This configuration is useful when the separation between ⁇ max and ⁇ min is relatively small. may not be suppressed.
  • the coupling loss increases due to the increase in the separation amount of ⁇ 1. Therefore, it is desired to develop a technique that can appropriately suppress the coupling loss even when the separation amount of ⁇ 1 increases due to the increase in the core pitch p1.
  • the inter-lens distance Z is set to 80 mm
  • the inter-lens distance Z is set to 79 mm
  • the inter-lens distance Z is set to 78 mm.
  • the separation amount ⁇ 1 is also substantially constant.
  • the inter-lens distance Z is set so that the difference between ⁇ min1 and ⁇ min2 is substantially equal to the separation amount ⁇ 1.
  • ⁇ 1(C11, C12) and ⁇ 1(C13, C14) are ⁇ 1(C11, C12) ⁇ min1, and ⁇ 1 (C13, C14) ⁇ min2, the distance d1 is adjusted.
  • Z is set such that the difference between ⁇ min1 and ⁇ min2 is equal to the separation amount ⁇ 1.
  • the distance d1 is adjusted so as to satisfy ⁇ 1(C11, C12) ⁇ min1 and ⁇ 1(C13, C14) ⁇ min2.
  • a single-core optical fiber group including a plurality of multi-mode single-core optical fibers may be used instead of a single-mode single-core optical fiber group. If the FIFO device is designed so that the above conditions 1 and 2 are satisfied for the zero-order mode light beam, the coupling loss can be reduced even when the multimode light beam propagates.
  • the MCF core arrangement does not have to be symmetrical. Even if the core arrangement is asymmetrical, by arranging the second lens group 40 at positions corresponding to the light beams emitted from the cores emitted from the first lens 30, the first lens 30 and the second lens group 40 function as a FIFO. can function properly as a device.
  • the SCF and MCF are not limited to a cylindrical shape, and may be a columnar shape having an arbitrary shape (for example, elliptical or polygonal) in cross section perpendicular to the axis.
  • the end surfaces 51a to 54a of the SCFs 51 to 54 may be obliquely polished.
  • FIG. unlike FIG. 4, the chief rays of light rays incident on the lenses 41 to 44 are designed to pass through a position shifted by a predetermined distance from the focal point f2.
  • the FIFO devices of the above embodiments and modifications can also function as devices in which light rays propagate in the second traveling direction.
  • 10 FIFO device
  • 20 multi-core optical fiber
  • 20a end surface
  • 30 first lens
  • 40 second lens group
  • 41, 42, 43, 44 second lens
  • 50 single-core optical fiber group
  • 51, 52, 53, 54 single core optical fiber

Landscapes

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Abstract

ＦＩＦＯデバイス１０は、ＭＣＦ２０と、ＭＣＦの中心軸線と平行な第１光軸を有する第１レンズ３０と、第１光軸と平行な第２光軸を有する第２レンズ４１乃至４４を複数有する第２レンズ群４０と、シングルコア光ファイバ５１乃至５４を第２レンズと同数だけ備えるシングルコア光ファイバ群５０とを備える。第１レンズと各第２レンズとの間のレンズ間距離がビームウェスト距離和と等しい場合のビームウェスト距離和の最大値を距離和最大値と規定すると、レンズ間距離を距離和最大値に設定した場合、ビームウェスト距離和が距離和最大値の９１．５％以上となるようにＭＣＦ２０、第１レンズ３０、第２レンズ群４０及びシングルコア光ファイバ群５０が配置されている。

Description

ファンイン／ファンアウトデバイス
　本発明は、ファンイン／ファンアウトデバイスに関する。特に、マルチコア光ファイバと複数のシングルコア光ファイバとを備え、両者を光学的に結合する空間結合型のファンイン／ファンアウトデバイスに関する。
　インターネットによる通信トラフィック需要は年々増加しており、光通信の更なる高速大容量化が望まれている。従来から、その需要に応えるために、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術及びデジタルコヒーレント技術等により伝送容量の増大が進められてきた。
　近年、新たな多重化技術として、マルチコア光ファイバを用いた空間分割多重（ＳＤＭ：Space Division Multiplexing）技術が注目されている。ＳＤＭ技術によれば、更に高速大容量化できるとされている。ＳＤＭ技術の研究開発の進展に伴い、ファンイン／ファンアウト（Fan-in/Fan-out。以下、「ＦＩＦＯ」とも称する。）デバイスの需要が高まっている。ＦＩＦＯデバイスは、マルチコア光ファイバと複数のシングルコア光ファイバとを備え、両者を光学的に結合する光学デバイスである。
　ＦＩＦＯデバイスとして、例えば、空間結合型、ファイババンドル型、及び、溶融延伸型のデバイスが挙げられる。空間結合型のＦＩＦＯデバイスは、レンズ（ガラスブロック等を含む）を用いてマルチコア光ファイバとシングルコア光ファイバとを光学的に結合することを特徴としている（特許文献１参照）。以下では、空間結合型のＦＩＦＯデバイスを、単に「ＦＩＦＯデバイス」と称する。
特許第６５５４８９１号
（発明が解決しようとする課題）
　ＦＩＦＯデバイスは、マルチコア光ファイバ側に設けられた第１レンズと、複数のシングルコア光ファイバ側に設けられた複数の第２レンズと、を備える。ＦＩＦＯデバイスでは、マルチコア光ファイバとシングルコア光ファイバのうちの一方から出射された光線が、第１レンズ及び第２レンズを経由して、マルチコア光ファイバとシングルコア光ファイバのうちの他方に入射する。光結合損失は、他方の光ファイバの端面における光線のビーム径である入射端面ビーム径が、当該光ファイバのモードフィールド径に一致する場合にゼロとなる。
　ここで、マルチコア光ファイバと第１レンズとの間の第１距離、又は、シングルコア光ファイバと対応する第２レンズとの間の第２距離に誤差が生じると、光線のビームウェスト径（及びビームウェスト位置）が変化するため、入射端面ビーム径がモードフィールド径に一致しなくなり、光結合損失の増大を引き起こす。このため、ＦＩＦＯデバイスを製造する際は、第１距離及び第２距離に極力誤差が生じないようにすることが望ましい。
　しかしながら、製造過程において第１距離及び第２距離に微小な誤差が生じてしまうことは避け難いため、これらの誤差によりビームウェスト径が変化しても光結合損失の増大を抑制できる（光結合損失が増大し難い）ＦＩＦＯデバイスの開発が求められている。
　また、ＦＩＦＯデバイスでは、反射戻り光を低減するためにマルチコア光ファイバの端面を斜研磨する場合がある。この場合、マルチコア光ファイバのコア数又はコア配置等に応じて第１距離にばらつき（バリエーション）が生じるため、結果として、ビームウェスト径にばらつきが生じる。例えば、マルチコア光ファイバの端面の斜研磨により第１距離に２通りのバリエーションが生じる場合、ビームウェスト径は２通りの値をとることになり、ばらつきが生じる。ビームウェスト径のばらつきは、光結合損失の増大につながる。このため、製造上の誤差によりビームウェスト径が変化するときだけでなく、マルチコア光ファイバの端面の斜研磨によりビームウェスト径にばらつきが生じる場合においても光結合損失の増大を抑制できることが望ましい。
　本発明は、上述した問題に対処するためになされたものである。即ち、本発明の目的の一つは、ビームウェスト径が変化したりビームウェスト径にばらつきが生じたりする場合であっても光結合損失の増大を抑制することが可能な技術を提供することにある。
（課題を解決するための手段）
　本発明によるファンイン／ファンアウトデバイス（１０）は、
　柱状であり、軸線方向に沿って延在している複数の第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）と、前記複数の第１コアを取り囲む共通のクラッド（ＣＬ）と、を備えるマルチコア光ファイバ（２０）と、
　前記マルチコア光ファイバ（２０）の中心軸線と平行な第１光軸を有し、前記マルチコア光ファイバに対応して設けられる第１レンズ（３０）と、
　前記第１光軸と平行な第２光軸を有する第２レンズ（４１乃至４４）を複数有する第２レンズ群（４０）と、
　柱状であり、前記第２光軸と平行な中心軸線に沿って延在している１つの第２コア（Ｃ）と、前記第２コア（Ｃ）を取り囲むクラッド（ＣＬｓ）と、を有するシングルコア光ファイバ（５１乃至５４）を前記第２レンズ（４１乃至４４）と同数だけ備えるシングルコア光ファイバ群（５０）と、
　を備え、前記マルチコア光ファイバ（２０）の各前記第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）から出射され、前記第１レンズ（３０）及び各前記第１コアに対応する前記第２レンズ（４１乃至４４）を経由して前記第２レンズに対応する前記シングルコア光ファイバ（５１乃至５４）の前記第２コア（Ｃ）上で収束する光線の進行方向である第１進行方向と、各前記第２コアから出射され、対応する前記第２レンズ及び前記第１レンズを経由して前記第２レンズに対応する各前記第１コア上で収束する光線の進行方向である第２進行方向と、の何れか一方の方向に光線が伝播するように構成されている。
　光線が前記第１進行方向に伝播すると仮定した場合において前記第１レンズ（３０）から出射された各光線のビームウェスト径を第１ビームウェスト径（２Ω１）と規定し、当該各光線の主光線の進行方向における前記第１レンズからビームウェスト位置までの距離を第１ビームウェスト距離（Ｄ１）と規定し、
　光線が前記第２進行方向に伝播すると仮定した場合において各前記第２レンズ（４１乃至４４）から出射された光線のビームウェスト径を第２ビームウェスト径（２Ω２）と規定し、当該光線の主光線の進行方向における前記第２レンズからビームウェスト位置までの距離を第２ビームウェスト距離（Ｄ２）と規定し、
　光線の主光線の進行方向における前記第１レンズ（３０）と各前記第２レンズ（４１乃至４４）との間の距離であるレンズ間距離（Ｚ）が、前記第１ビームウェスト径（２Ω１）と前記第２ビームウェスト径（２Ω２）とが一致するときの前記第１ビームウェスト距離（Ｄ１）と前記第２ビームウェスト距離（Ｄ２）との和であるビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）と等しい場合における前記ビームウェスト距離和の最大値を距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）と規定すると、
　前記レンズ間距離（Ｚ）が前記距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）に実質的に等しく、且つ、前記ビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）が前記距離和最大値の９１．５％以上となるように前記マルチコア光ファイバ（２０）、前記第１レンズ（３０）、前記第２レンズ群（４０）、及び、前記シングルコア光ファイバ群（５０）が配置されている。
　また、本発明による別のファンイン／ファンアウトデバイスは、
　柱状であり、軸線方向に沿って延在している複数の第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）と、前記複数の第１コアを取り囲む共通のクラッド（ＣＬ）と、を備えるマルチコア光ファイバ（２０ｐ）と、
　前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）の中心軸線と平行な第１光軸を有し、前記マルチコア光ファイバに対応して設けられる第１レンズ（３０）と、
　前記第１光軸と平行な第２光軸を有する第２レンズ（４１乃至４４）を複数有する第２レンズ群（４０）と、
　柱状であり、前記第２光軸と平行な中心軸線に沿って延在している１つの第２コア（Ｃ）と、前記第２コア（Ｃ）を取り囲むクラッド（ＣＬｓ）と、を有するシングルコア光ファイバ（５１乃至５４）を前記第２レンズ（４１乃至４４）と同数だけ備えるシングルコア光ファイバ群（５０）と、
　を備え、前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）の各前記第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）から出射され、前記第１レンズ（３０）及び各前記第１コアに対応する前記第２レンズ（４１乃至４４）を経由して前記第２レンズに対応する前記シングルコア光ファイバ（５１乃至５４）の前記第２コア（Ｃ）上で収束する光線の進行方向である第１進行方向と、各前記第２コアから出射され、対応する前記第２レンズ及び前記第１レンズを経由して前記第２レンズに対応する各前記第１コア上で収束する光線の進行方向である第２進行方向と、の何れか一方の方向に光線が伝播するように構成されている。
　光線が前記第１進行方向に伝播すると仮定した場合において前記第１レンズ（３０）から出射された各光線のビームウェスト径を第１ビームウェスト径（２Ω１）と規定し、当該各光線の主光線の進行方向における前記第１レンズからビームウェスト位置までの距離を第１ビームウェスト距離（Ｄ１）と規定し、
　光線が前記第２進行方向に伝播すると仮定した場合において各前記第２レンズ（４１乃至４４）から出射された光線のビームウェスト径を第２ビームウェスト径（２Ω２）と規定し、当該光線の主光線の進行方向における前記第２レンズからビームウェスト位置までの距離を第２ビームウェスト距離（Ｄ２）と規定し、
　光線の主光線の進行方向における前記第１レンズ（３０）と各前記第２レンズ（４１乃至４４）との間の距離であるレンズ間距離（Ｚ）が、前記第１ビームウェスト径（２Ω１）と前記第２ビームウェスト径（２Ω２）とが一致するときの前記第１ビームウェスト距離（Ｄ１）と前記第２ビームウェスト距離（Ｄ２）との和であるビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）と等しい場合における前記ビームウェスト距離和の最大値を距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）と規定すると、
　前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）の端面（２０ａｐ）は、その中心軸線と直交する面に対して所定の傾斜方向に所定の研磨角度だけ傾斜するように斜研磨され、これにより、光線の進行方向における各前記第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）と前記第１レンズ（３０）との間の距離（ｄ１（１）乃至ｄ１（４））にｎ通りのバリエーションが生じるとともに各前記第１コアからの光線の前記第１ビームウェスト径（２Ω１）にはｎ通りのバリエーションが生じ、
　各前記シングルコア光ファイバ（５１乃至５４）は、対応する各前記第２レンズ（４１乃至４４）に対して、各前記シングルコア光ファイバに対応する光線の前記第２ビームウェスト径（２Ω２）が、対応する前記第１ビームウェスト径（２Ω１）と一致するような位置に配置されており、
　更に、前記ビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）が前記距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）であるときの前記第１及び前記第２ビームウェスト径（２Ω１＝２Ω２）を距離最大時ビームウェスト径（Ω_Dmax）と規定し、ｎ通りの前記第１及び前記第２ビームウェスト径の最大値及び最小値をそれぞれビームウェスト最大径（２Ωmax）及びビームウェスト最小径（２Ωmin）と規定すると、
　前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）は、前記第１レンズ（３０）に対して、前記ビームウェスト最大径（２Ωmax）が前記距離最大時ビームウェスト径（Ω_Dmax）よりも大きく、且つ、前記ビームウェスト最小径（２Ωmin）が前記距離最大時ビームウェスト径よりも小さくなるような位置に配置されている。
（発明の効果）
　本発明によれば、ビームウェスト径が変化したりビームウェスト径にばらつきが生じたりする場合であっても光結合損失の増大を抑制することが可能となる。
本発明の第１実施形態に係るＦＩＦＯデバイスを示す斜視図である。 ＦＩＦＯデバイスの側面図である。 ＦＩＦＯデバイスが備えるマルチコア光ファイバの端面を示す図である。 マルチコア光ファイバの或るコアからの出射光の主光線が対応する第２レンズを透過する様子を示す図である。 ＦＩＦＯデバイスが備えるシングルコア光ファイバの端面を示す図である。 第１ビームウェスト径２Ω１及び第１ビームウェスト距離Ｄ１について説明するための図である。 第２ビームウェスト径２Ω２及び第２ビームウェスト距離Ｄ２について説明するための図である。 シングルコア光ファイバから対応する第２レンズまでの距離ｄ２と、第２ビームウェスト距離Ｄ２と、の関係を規定したグラフである。 距離ｄ２と第２ビームウェスト半径Ω２との関係を規定したグラフである。 ＦＩＦＯデバイスの結合損失がゼロの場合の構成要素の位置関係を示す図である。 ２Ω１＝２Ω２が成立しているときのビームウェスト半径Ω１＝Ω２と、ビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２との関係を規定したグラフである。 レンズ間距離Ｚ＝６０ｍｍのときの結合損失について説明するためのグラフである。 Ｚ＝７０ｍｍのときの結合損失について説明するためのグラフである。 Ｚ＝８０．８９ｍｍのときの結合損失について説明するためのグラフである。 第２レンズを焦点距離の異なる別のレンズに変更した場合の図１１Ｃに対応するグラフである。 第２レンズを焦点距離の異なる更に別のレンズに変更した場合の図１１Ｃに対応するグラフである。 結合損失を０．１５ｄＢ以下に抑制し得るビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２を検討するために規格化されたグラフである。 本発明の変形例に係るＦＩＦＯデバイスのうち斜研磨されたマルチコア光ファイバ及び第１レンズのみを示す側面図である。 マルチコア光ファイバの中心から第１レンズまでの距離ｄ１とΩ１との関係をコアからの光線毎に規定したグラフである。 ２通りのバリエーションを有するΩ１同士の関係を規定したグラフである。 結合損失を０．１５ｄＢ以下に抑制し得るビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２について説明するためのグラフである。 本発明の第２実施形態に係るＦＩＦＯデバイスについて、２通りのバリエーションを有するΩ１の組み合わせが満たす条件を説明するためのグラフである。 ２通りのバリエーションを有するΩ１同士の関係を規定したグラフである。 本発明の第３実施形態に係るＦＩＦＯデバイスの比較例のグラフである。 Ｚ＝８０ｍｍのときの結合損失について説明するためのグラフであり、２通りのバリエーションを有するΩ１の組み合わせが満たす条件を説明するためのグラフである。 Ｚ＝７９ｍｍのときの結合損失について説明するためのグラフである。 Ｚ＝７８ｍｍのときの結合損失について説明するためのグラフである。
（第１実施形態）
　本発明の第１実施形態に係るＦＩＦＯデバイス１０について図面を参照して説明する。以下では、「ＦＩＦＯデバイス」を単に「デバイス」とも称する。
　図１は、デバイス１０の斜視図であり、図２は、デバイス１０の側面図である。図１及び図２に示すように、デバイス１０は、マルチコア光ファイバ２０と、第１レンズ３０と、第２レンズ群４０と、シングルコア光ファイバ群５０と、を備える。これらの部材は、軸線Ａ１に沿って上記の順に配置されている。デバイス１０には、直交座標系が設定されている。ｚ軸は、マルチコア光ファイバ２０から第１レンズ３０に向かう方向が正方向となるように軸線Ａ１と平行に延びている。ｙ軸は、ｚ軸と直交しており、紙面上方向が正方向となるように延びている。ｘ軸は、ｚ軸及びｙ軸と直交している。以下、マルチコア光ファイバ及びシングルコア光ファイバをそれぞれ「ＭＣＦ」及び「ＳＣＦ」とも称する。なお、本明細書では、図を見易くするために、特定の部材（例えば、ＭＣＦ２０及びＳＣＦ群５０）の寸法及び光線の角度等を変更して図示している。
　ＭＣＦ２０は円柱状であり、少なくともその＋ｚ軸方向の端部における中心軸線は、軸線Ａ１と一致している。ＭＣＦ２０の端面２０ａ（図２参照）は、軸線Ａ１と直交する面（ｘｙ平面）と平行である。図３は、ＭＣＦ２０の中心軸線に沿って端面２０ａを見たときの図である。図３に示すように、ＭＣＦ２０は、４つのコアＣ１乃至Ｃ４と、これらのコアＣ１乃至Ｃ４を取り囲む共通のクラッドＣＬと、を備える。コアＣ１乃至Ｃ４は、端面２０ａの中心を中心とした正方形の頂点に位置しており、軸線方向に沿って延在している。隣接するコア間の距離（コアピッチｐ１）は５０μｍである。コアＣ１乃至Ｃ４並びにクラッドＣＬは、何れも石英を主成分とするガラスにより形成されている。コアＣ１乃至Ｃ４の屈折率は、クラッドＣＬの屈折率よりも大きい。ＭＣＦ２０は、シングルモードの光線が伝播する光ファイバである。なお、コアＣ１乃至Ｃ４並びにクラッドＣＬの材質は石英を主成分とするガラスに限られず、他の材料により形成されてもよい。また、本明細書において、円柱には、軸線が湾曲しているものも含まれる。
　図１及び図２に示すように、ＭＣＦ２０の＋ｚ軸方向の端部は、円筒状のフェルール２２に挿通されて保持されている。フェルール２２の端面２２ａは、ＭＣＦ２０の端面２０ａと同一平面上に位置している。これは、ＭＣＦ２０の端面２０ａは、フェルール２２に挿通された状態でその端面２２ａとともに一括して研磨されるためである。図２では、フェルール２２内のＭＣＦ２０を破線で示しているが、コアＣ１乃至Ｃ４の図示は省略している。
　ＭＣＦ２０の各コアＣ１乃至Ｃ４を伝播してきた光線は、端面２０ａから第１レンズ３０に向けて出射される。即ち、ＭＣＦ２０は出射部材として機能する。図１では、各コアＣ１乃至Ｃ４（図３参照）から出射される光線の主光線Ｂ１乃至Ｂ４のみをそれぞれ図示しており、図２では、コアＣ２及びＣ３から出射される光線の主光線Ｂ２及びＢ３のみを図示している。各コアＣ１乃至Ｃ４からの出射光の主光線は互いに平行であるが、各出射光は進行するにつれて発散する発散光である（後述）。本実施形態では１．５５μｍの波長を有する光線が用いられるが、波長の値はこれに限られない。
　第１レンズ３０は、焦点距離ｄｆ１が１．３ｍｍのコリメートレンズであり、より詳細には、回転対称な曲面を有する非球面レンズである。第１レンズ３０は、各コアＣ１乃至Ｃ４から出射されて発散する光線をコリメート（平行化）する。第１レンズ３０の光軸は、ＭＣＦ２０の中心軸線上（即ち、軸線Ａ１上）に位置している。第１レンズ３０は、各コアＣ１乃至Ｃ４から出射される、主光線Ｂ１乃至Ｂ４が互いに平行である光線を偏向して出射する。別言すれば、第１レンズ３０は、各コアＣ１乃至Ｃ４からの光線を焦点ｆ１にて集光する。即ち、第１レンズ３０は、マルチコア光ファイバに対応して設けられたレンズである。なお、第１レンズ３０の曲面は、各コアＣ１乃至Ｃ４からの光線を偏向するように出射可能であれば、非回転対称であってもよい。また、第１レンズ３０は、球面レンズ又はＧＲＩＮレンズであってもよいし、片面が平坦なレンズであってもよい。
　第２レンズ群４０は、ＭＣＦ２０のコア数（本例では、４つ）と同数の第２レンズ４１乃至４４を有する（図１参照）。第２レンズ４１乃至４４は、何れも焦点距離ｄｆ２が２．５ｍｍのコリメートレンズであり、より詳細には、回転対称な曲面を有する非球面レンズである。以下では、第２レンズ４１乃至４４を、単に「レンズ４１乃至４４」と称する。各レンズ４１乃至４４の光軸は、第１レンズ３０の光軸と平行である。また、レンズ４１乃至４４の主点は同一平面上に位置しており、当該平面は軸線Ａ１と直交している。図２では、レンズ４１乃至４４のうち、主光線Ｂ２及びＢ３が入射するレンズ４２及び４３のみを図示している。
　図４は、コアＣ３からの出射光の主光線Ｂ３が対応するレンズ４３を透過する様子を示す図である。図１、図２及び図４に示すように、第１レンズ３０から出射されるＭＣＦ２０のコアＣ３からの光線は、焦点ｆ１を通過する。焦点ｆ１を通過した光線の主光線Ｂ３は、直進してレンズ４３の焦点ｆ２（図４参照）を通過し、レンズ４３の位置Ｐｓ３に所定の入射角度（本例では、約１．６°）で入射する。位置Ｐｓ３に入射した主光線Ｂ３は、レンズ４３の光軸Ａｓ３（図４参照）と平行な光線としてレンズ４３から出射する。
　同様に、図１に示すように、焦点ｆ１を通過した光線の主光線Ｂ１、Ｂ２及びＢ４は、直進してレンズ４１、４２及び４４の焦点ｆ２（図示省略）をそれぞれ通過し、レンズ４１、４２及び４４の位置Ｐｓ１、Ｐｓ２及びＰｓ４に所定の入射角度（本例では、約１．６°）で入射する。位置Ｐｓ１、Ｐｓ２及びＰｓ４に入射した主光線Ｂ１、Ｂ２及びＢ４は、レンズ４１、４２及び４４の光軸と平行な光線としてレンズ４１、４２及び４４からそれぞれ出射する。
　図１及び図２に示すように、第２レンズ群４０は、第１レンズ３０から出射された各コアＣ１乃至Ｃ４からの光線を、対応するレンズ４１乃至４４によりそれぞれ収束する（図１及び図２では主光線のみ図示）。なお、各レンズ４１乃至４４の曲面は、対応する各コアＣ１乃至Ｃ４からの光線を偏向するように出射可能であれば、非回転対称であってもよい。また、各レンズ４１乃至４４は、球面レンズ又はＧＲＩＮレンズであってもよいし、片面が平坦なレンズであってもよい。
　ＳＣＦ群５０は、レンズ４１乃至４４と同数（本例では、４つ）のＳＣＦ５１乃至５４を有する（図１参照）。ＳＣＦ５１乃至５４は、何れもシングルモードの光線が伝播する光ファイバである。ＳＣＦ５１乃至５４は、互いに同一の構成を有するため、以下ではＳＣＦ５３の構成を説明する。ＳＣＦ５３は円柱状であり、少なくともその－ｚ軸方向の端部における中心軸線は、対応するレンズ４３の光軸Ａｓ３（図４参照）と平行である。また、ＳＣＦ５３は、第１レンズ３０の光軸から離間した位置に位置している。ＳＣＦ５３の端面５３ａは、ｘｙ平面と平行である。図５は、ＳＣＦ５３の中心軸線に沿って端面５３ａを見たときの図である。図５に示すように、ＳＣＦ５３は、その中心軸線に沿って延在している１つのコアＣと、当該コアＣを取り囲むクラッドＣＬｓと、を備える。ＳＣＦ５１乃至５４の各コアＣは、軸線Ａ１を中心とした正方形の頂点に位置している。本実施形態では、隣接するコア間のピッチｐ２は約３．１ｍｍとなるようにデバイス１０が設計されている。コアＣ及びクラッドＣＬｓは、何れも石英を主成分とするガラスにより形成されている。コアＣの屈折率は、クラッドＣＬｓの屈折率よりも大きい。なお、コアＣ及びクラッドＣＬｓの材質は石英を主成分とするガラスに限られず、他の材料により形成されてもよい。
　図１及び図２に示すように、ＳＣＦ５３の－ｚ軸方向の端部は、円筒状のフェルール６３に挿通されて保持されている。ＳＣＦ５３の端面５３ａは、フェルール６３に挿通された状態でその端面６３ａとともに一括して研磨されている。これにより、ＳＣＦ５３の端面５３ａとフェルール６３の端面６３ａは、同一平面（ｘｙ平面）上に位置している。図２では、フェルール６３内のＳＣＦ５３を破線で示している。
　ＳＣＦ５３の端面５３ａは、レンズ４３から出射されたコアＣ３からの光線が、コアＣ上（より厳密には、コアＣの中心上）で収束する位置に配置されている。即ち、ＳＣＦ５３は、主光線Ｂ３がコアＣの中心に入射するように配置されている。
　同様に、ＳＣＦ５１、５２及び５４は、第１レンズ３０の光軸から離間した位置に位置しており、それらの端面５１ａ、５２ａ及び５４ａ（図１参照）は、レンズ４１、４２及び４４から出射されたコアＣ１、Ｃ２及びＣ４からの光線が、コアＣ上（より厳密には、コアＣの中心上）でそれぞれ収束する位置に配置されている。即ち、ＳＣＦ５１、５２及び５４は、主光線Ｂ１、Ｂ２及びＢ４がコアＣの中心にそれぞれ入射するように配置されている。これにより、コアＣ１、Ｃ２及びＣ４からの出射光は、ＳＣＦ５１、５２及び５４のコアＣに低損失で入射する。
　このように、第１レンズ３０及び第２レンズ群４０は、ＭＣＦ２０とＳＣＦ群５０とを光学的に結合している。以下では、上述した光線の進行方向を「第１進行方向」とも称する。光線が第１進行方向に進行する場合、デバイス１０は「ファンアウト（ＦＯ）デバイス」として機能する。ここで、光の進路は可逆的であるため、デバイス１０では、光線は第１進行方向とは反対方向に伝播し得る。即ち、デバイス１０は、光線が、ＳＣＦ５１乃至５４の各コアＣから出射され、レンズ４１乃至４４及び第１レンズ３０を経由してＭＣＦ２０のコアＣ１乃至Ｃ４上で収束するような進行方向に伝播するように構成することもできる。以下では、この進行方向（第１進行方向とは反対方向）を「第２進行方向」とも称する。光線が第２進行方向に進行する場合、デバイス１０は「ファンイン（ＦＩ）デバイス」として機能する。
　続いて、デバイス１０が備える各部材２０、３０、４０及び５０の位置関係と、光線の光結合損失との関係について説明する。本明細書では、光線の伝播はガウシアンビームモデルに従うものとする。ガウシアンビームとは、光線の進行方向（伝播方向）と直交する断面における光強度分布がガウス関数に従う光線である。なお、光結合損失は挿入損失と同義であり、以下では、単に「結合損失」と称する場合もある。
　図６は、ＭＣＦ２０のコアＣ２から出射され、第１レンズ３０により偏向された光線（即ち、第１進行方向に進む光線）のみを抜粋して示す図である。Ｂ２は当該光線の主光線を表す。上述したように、コアＣ２から出射された光線は第１レンズ３０によりコリメートされるが、厳密には、第１レンズ３０から所定の距離だけ離間した位置である第１ビームウェスト位置において収束し、第１ビームウェスト位置からレンズ４２に向かって発散している。光線の径（以下、「ビーム径」とも称する。）は第１ビームウェスト位置において最小となる。第１ビームウェスト位置におけるビーム径及びビーム半径は、それぞれ「第１ビームウェスト径２Ω１」及び「第１ビームウェスト半径Ω１」と称される。
　主光線Ｂ２の進行方向における、第１レンズ３０から第１ビームウェスト位置までの距離（別言すれば、第１レンズ３０から第１ビームウェスト位置までの主光線Ｂ２の長さ）は、「第１ビームウェスト距離Ｄ１」と称される。
　第１レンズ３０の光軸の延在方向を「光軸方向」と規定すると、第１ビームウェスト距離Ｄ１、及び、第１ビームウェスト径２Ω１は、ＭＣＦ２０の端面２０ａにおけるビーム径２ω１と、第１レンズ３０の焦点距離ｄｆ１（＝１．３ｍｍ）と、光軸方向におけるＭＣＦ２０の端面２０ａと第１レンズ３０との間の距離ｄ１と、に依存する。ＭＣＦ２０及び第１レンズ３０を変更しない場合、第１ビームウェスト距離Ｄ１及び第１ビームウェスト径２Ω１は、実質的には距離ｄ１に依存する（後述）。なお、ビーム径２ω１は、ＭＣＦ２０のモードフィールド径に等しく、本実施形態では８μｍとされている。上記の説明は、コアＣ１、Ｃ３及びＣ４から出射される光線についても該当する。
　図７は、ＳＣＦ５２のコアＣから出射され、レンズ４２により偏向された光線（即ち、第２進行方向に進む光線）を示す図である。図７のＳＣＦ５２は、デバイス１０に用いられたＳＣＦ５２と同一部材であるが、光線が第２進行方向に進むケースを説明するためにｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向のそれぞれに沿って反転して図示されている。コアＣから出射された光線はレンズ４２によりコリメートされるが、厳密には、レンズ４２から所定の距離だけ離間した位置である第２ビームウェスト位置において収束し、第２ビームウェスト位置から第１レンズ３０に向かって発散している。光線のビーム径は第２ビームウェスト位置において最小となる。第２ビームウェスト位置におけるビーム径及びビーム半径は、それぞれ「第２ビームウェスト径２Ω２」及び「第２ビームウェスト半径Ω２」と称される。
　レンズ４２から出射された光線の主光線の進行方向における、レンズ４２から第２ビームウェスト位置までの距離（別言すれば、レンズ４２から第２ビームウェスト位置までの当該主光線の長さ）は、「第２ビームウェスト距離Ｄ２」と称される。
　第２ビームウェスト距離Ｄ２、及び、第２ビームウェスト径２Ω２は、ＳＣＦ５２の端面５２ａにおけるビーム径２ω２と、レンズ４２の焦点距離ｄｆ２（＝２．５ｍｍ）と、光軸方向におけるＳＣＦ５２の端面５２ａとレンズ４２との間の距離ｄ２と、に依存する。ＳＣＦ５２及びレンズ４２を変更しない場合、第２ビームウェスト距離Ｄ２及び第２ビームウェスト径２Ω２は、実質的には距離ｄ２に依存する。なお、ビーム径２ω２は、ＳＣＦ５２のモードフィールド径に等しく、本実施形態では１０．４μｍとされている。上記の説明は、ＳＣＦ５１、５３及び５４から出射される光線についても該当する。
　図８Ａは、図７の構成における距離ｄ２と第２ビームウェスト距離Ｄ２との関係を規定したグラフであり、図８Ｂは、図７の構成における距離ｄ２と第２ビームウェスト半径Ω２との関係を規定したグラフである。図８Ａによれば、第２ビームウェスト距離Ｄ２は、距離ｄ２がレンズ４２の焦点距離ｄｆ２（＝２．５ｍｍ）に等しいときは２．５ｍｍとなり、距離ｄ２が焦点距離ｄｆ２より僅かに大きいときに最大となる。図８Ｂによれば、第２ビームウェスト半径Ω２は、距離ｄ２が焦点距離ｄｆ２に等しいときに最大となり、距離ｄ２が増加するにつれて小さくなる。上記傾向は、図６の構成における距離ｄ１と、第１ビームウェスト距離Ｄ１及び第１ビームウェスト半径Ω１との関係についても該当する。本実施形態では、距離ｄ１がｄ１＞ｄｆ１を満たすようにＭＣＦ２０が第１レンズ３０に対して配置され、距離ｄ２がｄ２＞ｄｆ２を満たすようにＳＣＦ群５０が第２レンズ群４０に対して配置される。
　なお、図７では、ＳＣＦ５２のコアＣから出射された光線がレンズ４２を経由して第２進行方向に進む例を示したが、上述したように、光の進路は可逆的である。このため、ＭＣＦ２０のコアＣ２から出射された光線が第１レンズ３０及びレンズ４２を経由してＳＣＦ５２のコアＣに向かって第１進行方向に進む場合の光線の進路は、図７に示す進路と一致する。従って、各パラメータ２Ω２（Ω２）、Ｄ２、２ω２及びｄ２は、光線が第１進行方向に進む場合においても使用することができる。
　図９は、デバイス１０の結合損失がゼロである場合の各部材２０、３０、４０及び５０の位置関係を示す図である。図９では、ＭＣＦ２０のコアＣ２から出射される光線と、これに対応するレンズ４２及びＳＣＦ５２のみを抜粋して示している。図９に示すように、理論上の結合損失は、以下の２つの条件が成立する場合にゼロとなる。
（条件１）第１ビームウェスト径２Ω１と第２ビームウェスト径２Ω２が等しい（２Ω１＝２Ω２）。
（条件２）第１レンズ３０から出射される光線の主光線の進行方向における、第１レンズ３０と、対応する各レンズ４１乃至４４と、の距離であるレンズ間距離Ｚが、第１ビームウェスト距離Ｄ１と第２ビームウェスト距離Ｄ２との和に等しい（Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２）。
　別言すれば、ＳＣＦ５１乃至５４の端面５１ａ乃至５４ａにおける入射光線のビーム径２ω２がＳＣＦ５１乃至５４のモードフィールド径と一致する場合は結合損失がゼロとなり、ビーム径２ω２が当該モードフィールド径と一致しない場合は結合損失が発生する。例えば、図９の例においてレンズ４２を＋ｚ軸方向にシフトすると、ビーム径２ω２がＳＣＦ５１乃至５４のモードフィールド径と一致しなくなるため、結合損失が発生する。以下では、条件１が成立している場合、第１ビームウェスト径２Ω１（又は半径Ω１）及び第２ビームウェスト径２Ω２（又は半径Ω２）を、「ビームウェスト径２Ω１＝２Ω２」又は「ビームウェスト半径Ω１＝Ω２」と称する。また、条件１が成立しているときの第１ビームウェスト距離Ｄ１と第２ビームウェスト距離Ｄ２との和を「ビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２」とも称する。
　図１０は、条件１が成立しているときのビームウェスト半径Ω１＝Ω２と、ビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２との関係を規定したグラフである。曲線Ｌ１によれば、Ｄ１＋Ｄ２は、Ω１＝Ω２が増加するにつれて増加していき、最大値を経由して減少に転じている。図１０によれば、レンズ間距離Ｚを曲線Ｌ１上のビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２に一致させることにより、結合損失をゼロにできることが分かる。
　ところで、デバイス１０の製造工程では、距離ｄ１及び距離ｄ２等に誤差が生じる場合がある。距離ｄ１に誤差が生じると第１ビームウェスト径２Ω１及び第１ビームウェスト距離Ｄ１が変化する。距離ｄ２に誤差が生じると第２ビームウェスト径２Ω２及び第２ビームウェスト距離Ｄ２が変化する。この場合、条件１及び条件２が成立しなくなり、結合損失が増大してしまう可能性がある。このため、距離ｄ１及び／又は距離ｄ２に製造上の誤差（ばらつき）が生じても結合損失が増大し難いデバイス（別言すれば、第１及び第２ビームウェスト径２Ω１及び２Ω２が変化しても結合損失が変動し難いデバイス）の開発が望まれている。
　この点について検討するため、本願発明者らは、シミュレーションによりレンズ間距離Ｚを変更して結合損失の挙動を調べた。図１１Ａ乃至図１１Ｃは、何れも、ビームウェスト半径Ω１＝Ω２とビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２との関係（曲線Ｌ１参照）、及び、ビームウェスト半径Ω１＝Ω２と結合損失との関係（曲線Ｌ２、Ｌ３及びＬ４参照）を規定したグラフである。図１１Ａではレンズ間距離Ｚは６０ｍｍに設定されており、図１１Ｂではレンズ間距離Ｚは７０ｍｍに設定されており、図１１Ｃではレンズ間距離Ｚは８０．８９ｍｍに設定されている。
　図１１Ａの例では、条件２を満たすビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２は６０ｍｍであり、このときのビームウェスト半径Ω１＝Ω２は７６μｍであった。図１１Ｂの例では、条件２を満たすビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２は７０ｍｍであり、このときのビームウェスト半径Ω１＝Ω２は９４μｍであった。図１１Ｃの例では、条件２を満たすビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２は８０．８９ｍｍであり、このときのビームウェスト半径Ω１＝Ω２は１３３μｍであった。図１１Ａ乃至図１１Ｃによれば、レンズ間距離Ｚが増加するにつれて、ビームウェスト半径Ω１＝Ω２が変化しても結合損失が変動し難くなることが分かる。従って、デバイス１０を製造する際は、レンズ間距離Ｚがビームウェスト距離和の最大値に実質的に等しくなるようにＺを制御することが望ましい。以下では、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２を満たすＤ１＋Ｄ２の最大値を「距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_max」とも称する。本実施形態では、距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxは８０．８９ｍｍである。
　レンズ間距離Ｚを距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxに設定することにより、距離ｄ１及び／又は距離ｄ２に製造上の誤差が生じても結合損失が増大し難いデバイスを実現できる。ここで、現状のＦＩＦＯデバイス（厳密には、ＦＩデバイス又はＦＯデバイス）の結合損失の最小値は０．１５ｄＢである。このため、本願発明者らは、結合損失を０．１５ｄＢ以下に抑制し得るビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２の範囲についてシミュレーションに基づいて検討した。なお、ここでいう結合損失とは、各コアＣ１乃至Ｃ４（即ち、対応する各ＳＣＦ５１乃至５４のコアＣ）についての結合損失（挿入損失）を意味している。このため、各コアＣ１乃至Ｃ４についての結合損失の最大値を０．１５ｄＢ以下に抑制するべく検討を行った。
　図１２Ａは、レンズ４１乃至４４を、焦点距離ｄｆ２＝１．８ｍｍのレンズに変更した場合の図１１Ｃ（ｄｆ２＝２．５ｍｍ）に対応するグラフである。曲線Ｌ５はΩ１＝Ω２とＤ１＋Ｄ２との関係を示しており、曲線Ｌ６はレンズ間距離Ｚが距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの場合におけるΩ１＝Ω２と結合損失との関係を示している。図１２Ｂは、レンズ４１乃至４４を、焦点距離ｄｆ２＝３．５ｍｍのレンズに変更した場合の図１１Ｃに対応するグラフである。曲線Ｌ７はΩ１＝Ω２とＤ１＋Ｄ２との関係を示しており、曲線Ｌ８はレンズ間距離Ｚが距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの場合におけるΩ１＝Ω２と結合損失との関係を示している。図１２Ａ、図１１Ｃ及び図１２Ｂによれば、距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxは、焦点距離ｄｆ２が増加するにつれて大きくなっている。一方、焦点距離ｄｆ２が減少するにつれて、ビームウェスト半径Ω１＝Ω２が変化しても結合損失が変動し難くなっている。
　図１３は、規格化ビームウェスト半径Ω１＝Ω２_normと規格化ビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２_normとの関係、及び、規格化ビームウェスト半径Ω１＝Ω２_normと結合損失との関係をそれぞれ規定したグラフである。曲線Ｌｎ５、Ｌｎ１及びＬｎ７は、それぞれ、曲線Ｌ５（図１２Ａ参照）、曲線Ｌ１（図１１Ｃ参照）及び曲線Ｌ７（図１２Ｂ参照）を規格化した曲線に相当する。曲線Ｌｎ６、Ｌｎ４及びＬｎ８は、それぞれ、曲線Ｌ６（図１２Ａ参照）、曲線Ｌ４（図１１Ｃ参照）及び曲線Ｌ８（図１２Ｂ参照）を規格化した曲線に相当する。点Ｐ６、Ｐ４及びＰ８は、それぞれ、結合損失＝０．１５ｄＢを示す直線と曲線Ｌｎ６、Ｌｎ４及びＬｎ８との交点である。なお、交点はもう１つずつ存在するが、これらの交点は検討に影響しないため考慮していない。
　規格化ビームウェスト半径Ω１＝Ω２_normの値は、点Ｐ６において０．７５２であり、点Ｐ４において０．７５９であり、点Ｐ８において０．７９２であった。Ω１＝Ω２_norm＝０．７５２のときの曲線Ｌｎ５のＤ１＋Ｄ２_normは０．９０６であり、Ω１＝Ω２_norm＝０．７５９のときの曲線Ｌｎ１のＤ１＋Ｄ２_normは０．９０５であり、Ω１＝Ω２_norm＝０．７９２のときの曲線Ｌｎ７のＤ１＋Ｄ２_normは０．９１３であった。これは、レンズ間距離Ｚが距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxに設定されている場合において第２レンズ群４０に焦点距離ｄｆ２が３．５ｍｍ以下のレンズを用いるときは、Ｄ１＋Ｄ２_normが０．９１３以上であれば結合損失を０．１５ｄＢ以下に抑制できることを意味している。このシミュレーションに基づいて、本願発明者らは、レンズ間距離Ｚが距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxに実質的に等しい場合は、ビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２を距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上となるようにデバイス１０の各部材２０、３０、４０及び５０を配置すれば、結合損失を０．１５ｄＢ以下に抑制できるという知見を得た。
　デバイス１０は、このようにして得られた知見に基づき設計されている。この構成によれば、Ｚ≒Ｄ１＋Ｄ２_maxが成立している場合において距離ｄ１及び／又は距離ｄ２に製造上の誤差が生じても、ビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２が距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上であれば、結合損失を０．１５ｄＢ以下に抑制できる。
　加えて、ビームウェスト径２Ω１＝２Ω２が変化したときの結合損失の挙動は、Ｚが増加するにつれて緩やかになる（図１１Ａ乃至図１１Ｃ参照）ため、ＺをＤ１＋Ｄ２_maxと実質的に等しくなるように設定することにより、ＺがＤ１＋Ｄ２_maxよりも大幅に短い構成（図１１Ａ及び図１１Ｂ参照）と比較して、ビームウェスト径２Ω１＝２Ω２の変化に対して結合損失がロバストなデバイス１０を実現できる。
　特に、本実施形態では、焦点距離ｄｆ２＝２．５ｍｍの場合、レンズ間距離Ｚが８０．８９ｍｍとなりＳＣＦ５１乃至５４のピッチｐ２（図１参照）が約３．１ｍｍとなった。ピッチｐ２は、デバイス１０の外形を決定する主要なパラメータであり、ピッチｐ２を小さくすることによりデバイス１０を小型化することが望まれている。その一方で、ピッチｐ２を小さくし過ぎるとフェルール６１乃至６４（又はレンズ４１乃至４４）が干渉する等の問題がある。このため、一般に、ピッチｐ２の目標最小値は３ｍｍ程度とされている。ピッチｐ２は、焦点距離ｄｆ１、ｄｆ２及びレンズ間距離Ｚに依存する。本実施形態によれば、ｄｆ１＝１．３ｍｍ、ｄｆ２＝２．５ｍｍ、Ｚ＝８０．８９ｍｍのときのピッチｐ２が目標最小値と略等しい値となったため、製造上の誤差に起因して結合損失が変動し難いという効果に加えて、デバイス１０を（径方向に）小型化できるという効果も奏することができる。
　なお、ＭＣＦのコアの数は４個に限られず、例えば、５個又は７個であってもよい。ＭＣＦのコアの数が５個の場合、コアは、正方形の頂点及び中心にそれぞれ配置され得る。ＭＣＦのコアの数が７個の場合、コアは、正六角形の頂点及び中心にそれぞれ配置され得る。これは、後述する変形例、第２実施形態及び第３実施形態についても同様である。
（変形例）
　次に、本発明の変形例に係るＦＩＦＯデバイスについて説明する。図１４は、ＦＩＦＯデバイスのうちＭＣＦ２０ｐ及び第１レンズ３０のみを示す図である。このＦＩＦＯデバイスは、ＭＣＦ２０がＭＣＦ２０ｐに置き換えられている点でデバイス１０と相違している。図１４に示すように、ＭＣＦ２０ｐは、端面２０ａｐがその中心軸線と直交する面（ｘｙ平面）に対して所定の傾斜方向に所定の研磨角度α（本例では、８°）だけ傾斜するように斜研磨されている。より具体的には、ＭＣＦ２０ｐの斜研磨方向は＋ｙ軸方向である。ここで、斜研磨方向とは、斜研磨により楕円形状を呈する端面２０ａｐの長軸の両端のうち、第１レンズ３０からより離間している一端（遠位端）からより近接している他端（近位端）に向かう方向をＭＣＦ２０ｐの中心軸線に沿って見たときの方向である。
　ＭＣＦ２０ｐの端面２０ａｐは、フェルール２２ｐの端面２２ａｐとともに一括して斜研磨されている。ＭＣＦ２０ｐを斜研磨することにより、ＭＣＦ２０ｐの端面２０ａｐにおける反射光に起因した反射戻り光を低減している。なお、ＭＣＦ２０ｐのコア数及びコア配置は、ＭＣＦ２０と同様である。
　ＭＣＦ２０ｐを＋ｙ軸方向に斜研磨すると、その端面２０ａｐから出射される各コアＣ１乃至Ｃ４（図示省略）からの光線の主光線（本変形例では、主光線Ｂ２及びＢ３のみを図示）は、ｙｚ平面内において、軸線に対して所定の角度θだけ傾斜する。主光線の進行方向における各コアＣ１乃至Ｃ４と第１レンズ３０との間の距離ｄｔ（別言すれば、各コアＣ１乃至Ｃ４と第１レンズ３０との間の主光線Ｂ１乃至Ｂ４の長さ）をそれぞれｄ１（１）、ｄ１（２）、ｄ１（３）及びｄ１（４）と規定すると、これらの距離の間には、ｄ１（１）＝ｄ１（２）＜ｄ１（３）＝ｄ１（４）の関係が成立している。即ち、距離ｄｔには２通り（ｄ１（１）＝ｄ１（２）又はｄ１（３）＝ｄ１（４））のバリエーションが生じている。なお、ＭＣＦ２０ｐは、第１レンズ３０の光軸（図示省略）に対して所定の距離だけ－ｙ軸方向にシフトされている。これにより、第１レンズ３０から出射される各コアＣ１乃至Ｃ４からの光線の主光線Ｂ１乃至Ｂ４の光線角度が互いに等しくなるようにしている。
　ＭＣＦ２０ｐの端面２０ａｐの中心と第１レンズ３０との間の光軸方向における距離を距離ｄ１と規定する。この場合、主光線の進行方向に沿って端面２０ａｐの中心から第１レンズ３０まで延びている仮想線Ｂ０の長さｄ１（０）は、ｄ１（０）＝ｄ１／ｃｏｓθと表される。また、主光線Ｂ２及びＢ３と、仮想線Ｂ０と、は同一平面上には位置していないものの、これらは何れもｙｚ平面上に存在するため、ＭＣＦ２０ｐの側面視においてはこれらが同一平面上に位置していると見做すことができる。このため、距離ｄ１（１）乃至ｄ１（４）は、以下のように表すことができる。
ｄ１（１）＝ｄ１（２）＝ｄ１（０）－Δｄａ＋Δｄｂ
ｄ１（３）＝ｄ１（４）＝ｄ１（０）＋Δｄａ－Δｄｂ
　ここで、Δｄａは、ＭＣＦ２０ｐの側面視において、例えば、「コアＣ３」から「端面２０ａｐの中心から主光線Ｂ３に下ろした垂線の足」までの主光線の進行方向における距離であり、Δｄａ＝p1sin(α+θ)/(2cosα)と表すことができる。Δｄｂは、ＭＣＦ２０ｐの側面視において、例えば、「仮想線Ｂ０と第１レンズ３０との交点」から「主光線Ｂ３と第１レンズ３０との交点から仮想線Ｂ０に下ろした垂線の足」までの主光線の進行方向における距離であり、Δｄｂ＝(p1cos(α+θ)tanθ)/(2cosα)と表すことができる。
　図１５は、図１４の構成において距離ｄ１と第１ビームウェスト半径Ω１との関係をコアＣ１乃至Ｃ４からの光線毎に規定したグラフである。曲線Ｌ９は、コアＣ１及びＣ２からの光線の挙動を示し、曲線Ｌ１０は、コアＣ３及びＣ４からの光線の挙動を示す。図１５に示すように、任意の距離ｄ１に対応する第１ビームウェスト半径Ω１の値は、コアＣ１及びＣ２からの光線（曲線Ｌ９）と、コアＣ３及びＣ４からの光線（曲線Ｌ１０）とで相違している。即ち、第１ビームウェスト半径Ω１には、距離ｄｔに２通りのバリエーションが生じることに起因して、２通りのバリエーションが生じる（図示は省略しているが、第１ビームウェスト距離Ｄ１にも２通りのバリエーションが生じる。）。
　本変形例では、長さｄ１（０）（＝ｄ１／ｃｏｓθ）がｄ１（０）＞ｄｆ１（＝１．３ｍｍ）を満たすようにＭＣＦ２０ｐが第１レンズ３０に対して配置され、距離ｄ２がｄ２＞ｄｆ２を満たすようにＳＣＦ群５０が第２レンズ群４０に対して配置される（第２実施形態及び第３実施形態についても同様である。）。このため、図１５のグラフにおいてｄ１≦１．３ｃｏｓθｍｍの領域は考慮していない。図１５によれば、コアＣ１及びＣ２からの光線のΩ１のほうが、コアＣ３及びＣ４からの光線のΩ１よりも大きい。これは、距離ｄ１（１）＝ｄ１（２）のほうが距離ｄ１（３）＝ｄ１（４）より短いためである。
　図１６は、図１５の曲線Ｌ９及びＬ１０に基づいて、コアＣ１及びＣ２からの光線の第１ビームウェスト半径Ω１（以下、「Ω１（Ｃ１，Ｃ２）」とも称する。）と、コアＣ３及びＣ４からの光線の第１ビームウェスト半径Ω１（以下、「Ω１（Ｃ３，Ｃ４）」とも称する。）と、の関係を規定したグラフである。図１６によれば、２通りのバリエーションを有する第１ビームウェスト半径Ω１のうち、一方の半径Ω１が決定されると、他方の半径Ω１が一義的に決定されることが分かる。
　本変形例では、ＳＣＦ５１乃至５４は、対応するレンズ４１乃至４４に対して、第２ビームウェスト径２Ω２が、対応する第１ビームウェスト径２Ω１と一致するように配置されている（第２実施形態及び第３実施形態についても同様である。）。このため、条件１（第１実施形態参照）が成立している。例えば、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１４６μｍ、且つ、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１３３μｍの場合、ＳＣＦ５１及び５２に対応する第２ビームウェスト半径Ω２がΩ２＝１４６μｍとなるようにＳＣＦ５１及び５２とレンズ４１及び４２間の距離ｄ２（図９参照）が調整され、ＳＣＦ５３及び５４に対応する第２ビームウェスト半径Ω２がΩ２＝１３３μｍとなるようにＳＣＦ５３及び５４とレンズ４３及び４４間の距離ｄ２が調整される。即ち、第２ビームウェスト半径Ω２にも、距離ｄｔに２通りのバリエーションが生じることに起因して２通りのバリエーションが生じる。
　このように、ビームウェスト半径Ω１＝Ω２に２通りのバリエーションが生じると、ビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２にも２通りのバリエーションが生じ、その結果、結合損失にも２通りのバリエーションが生じる。低結合損失を実現するためには、結合損失を何れも０．１５ｄＢ以下に抑制することが望まれる。本願発明者らは、レンズ間距離Ｚが距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxに実質的に等しい場合は、２通りのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２が何れも距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上であれば、結合損失を何れも０．１５ｄＢ以下に抑制できるという知見を得た。
　図１７は、図１１Ｃの結合損失のスケールを変更したグラフ（即ち、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２_max＝８０．８９ｍｍ）に、点Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１１Ｌ及びＰ１２Ｌをプロットしたものである。点Ｐ１１は、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１４６μｍのときのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２を示し、その値は、距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上となっている。点Ｐ１１Ｌは、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１４６μｍのときの結合損失を示し、その値は、２．７×１０－３ｄＢ（≦０．１５ｄＢ）である。一方、点Ｐ１２は、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１３３μｍのときのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２を示し、その値は、距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxに等しい。点Ｐ１２Ｌは、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１３３μｍのときの結合損失を示し、その値はゼロ（≦０．１５ｄＢ）である。
　図１７の例によれば、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２_maxの場合、２通りのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２が何れも距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上となるように距離ｄ１及びｄ２を調整することにより、結合損失を何れも０．１５ｄＢ以下に抑制できることが確認された。
　以上より、変形例の構成によれば、ＭＣＦ２０ｐの斜研磨に起因してビームウェスト半径Ω１＝Ω２に２通りのバリエーションが生じても、ＺをＤ１＋Ｄ２_maxに実質的に等しくなるように設定し、Ｄ１＋Ｄ２をＤ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上となるように距離ｄ１及び距離ｄ２を調整することにより、結合損失を何れも０．１５ｄＢ以下に抑制できる。なお、Ｄ１＋Ｄ２がＤ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上である限り、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）とΩ１（Ｃ３，Ｃ４）との組み合わせは上記の組み合わせに限られず、図１６に基づいて他の組み合わせが採用され得る。ＺをＤ１＋Ｄ２_maxと実質的に等しくなるように設定することにより、ビームウェスト径２Ω１＝２Ω２の変化に対して結合損失がロバストなデバイスを実現できる。
　なお、コア数の増加又はコア配置の変更に起因して距離ｄｔにｎ通りのバリエーションが生じる場合についても上記知見を活用できる。即ち、レンズ間距離Ｚが距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxに実質的に等しい場合は、ｎ通りのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２が何れも距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上であれば、結合損失を何れも０．１５ｄＢ以下に抑制することができる。
（第２実施形態）
　続いて、本発明の第２実施形態に係るＦＩＦＯデバイスについて説明する。本実施形態のＦＩＦＯデバイスは、変形例のＦＩＦＯデバイスと同一である。但し、２通りのビームウェスト半径Ω１＝Ω２の組み合わせの選択方法が変形例と相違している。以下では、ビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２が距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxであるときのビームウェスト半径を「距離最大時ビームウェスト半径Ω_Dmax」と規定する。
　本実施形態では、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２_maxの場合において、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）及びΩ１（Ｃ３，Ｃ４）がΩ１（Ｃ３，Ｃ４）＜Ω_Dmax＜Ω１（Ｃ１，Ｃ２）を満たすように距離ｄ１及びｄ２が調整されていることを特徴としている。図１８は、図１７のグラフ（即ち、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２_max＝８０．８９ｍｍ）に、点Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１１Ｌ及びＰ１２Ｌの代わりに、点Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２１Ｌ及びＰ２２Ｌをプロットしたグラフである。点Ｐ２１は、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１３９μｍ（図１６参照）のときのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２を示す。点Ｐ２１Ｌは、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１３９μｍのときの結合損失を示し、その値は、１．２×１０－４ｄＢである。一方、点Ｐ２２は、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１２６μｍ（図１６参照）のときのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２を示す。点Ｐ２２Ｌは、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１２６μｍのときの結合損失を示し、その値は、２．０×１０－４ｄＢである。
　図１８の例によれば、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２_maxの場合、２通りの第１ビームウェスト半径Ω１であるΩ１（Ｃ１，Ｃ２）及びΩ１（Ｃ３，Ｃ４）がΩ１（Ｃ３，Ｃ４）＜Ω_Dmax＜Ω１（Ｃ１，Ｃ２）を満たすように距離ｄ１及びｄ２を調整することにより、図１７の例と比較して、結合損失を更に低減できることが確認された。
　以上より、第２実施形態の構成によれば、ＭＣＦ２０ｐの斜研磨に起因してビームウェスト半径Ω１＝Ω２に２通りのバリエーションが生じても、ＺをＤ１＋Ｄ２_maxに実質的に等しくなるように設定し、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＜Ω_Dmax＜Ω１（Ｃ１，Ｃ２）を満たすように距離ｄ１及びｄ２を調整することにより、結合損失を更に低減できる。なお、本実施形態では、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１３９μｍのときのＤ１＋Ｄ２、及び、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１２６μｍのときのＤ１＋Ｄ２は、何れも距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上となっている。しかしながら、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＜Ω_Dmax＜Ω１（Ｃ１，Ｃ２）が成立している限り、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）に対応するＤ１＋Ｄ２、及び、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）に対応するＤ１＋Ｄ２は、必ずしも距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上である必要はない。また、上記関係式が成立している限り、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）とΩ１（Ｃ３，Ｃ４）との組み合わせは上記の組み合わせに限られず、図１６に基づいて他の組み合わせが採用され得る。ＺをＤ１＋Ｄ２_maxと実質的に等しくなるように設定することにより、ビームウェスト径２Ω１＝２Ω２の変化に対して結合損失がロバストなデバイスを実現できる。
　なお、コア数の増加又はコア配置の変更に起因して距離ｄｔにｎ通りのバリエーションが生じる場合についても上記知見を活用できる。即ち、ｎ通りの第１ビームウェスト半径Ω１の最大値及び最小値を「ビームウェスト最大半径Ωmax」及び「ビームウェスト最小半径Ωmin」と規定すると、レンズ間距離Ｚが距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxに実質的に等しい場合、Ωmin＜Ω_Dmax＜Ωmaxが成立するように距離ｄ１及びｄ２を調整することにより、ｎ通りの結合損失を何れも抑制することができる。これは、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２_maxの場合においてΩmin＜Ω_Dmax＜Ωmaxが成立するときは、Ωmin＜Ω１＜Ωmaxを満たす任意のΩ１における結合損失は、Ωminにおける結合損失及びΩmaxにおける結合損失よりも必ず小さい値となるからである。
（第３実施形態）
　次いで、本発明の第２実施形態に係るＦＩＦＯデバイスについて説明する。本実施形態では、ＭＣＦ２０ｐの代わりにＭＣＦｐ（図示省略）が用いられる点、及び、バリエーションの数が２つである点で、第２実施形態と相違している。ＭＣＦｐは、正方形の頂点に配置された４つのコアＣ１１乃至Ｃ１４を有しており、コアピッチｐ１は８０μｍとされている。即ち、ＭＣＦｐのコアピッチｐ１は、ＭＣＦ２０ｐのコアピッチｐ１（＝５０μｍ）よりも大きくなっている。
　第１ビームウェスト半径Ω１が２通りのバリエーションを有する場合、それらの分離量は、コアピッチｐ１に依存する。このため、本実施形態における２通りのΩ１の分離量は、第２実施形態の２通りのΩ１の分離量よりも大きい。図１９は、コアＣ１１及びＣ１２からの光線の第１ビームウェスト半径Ω１（Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２））と、コアＣ１３及びＣ１４からの光線の第１ビームウェスト半径Ω１（Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４））と、の関係を規定したグラフである。図１９によれば、Ω１の分離量（ΔΩ１＝１４３－１２２＝２１μｍ）は、図１６のΩ１の分離量（ΔΩ１＝１４６－１３３＝１３μｍ）と比べて大きくなっている。
　第２実施形態のＦＩＦＯデバイスは、レンズ間距離Ｚが距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxに実質的に等しい場合において、ビームウェスト最大半径Ωmax及びビームウェスト最小半径Ωminが、Ωmin＜Ω_Dmax＜Ωmaxの関係（バリエーションが２通りの場合は、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＜Ω_Dmax＜Ω１（Ｃ１，Ｃ２）の関係）を満たすような値となるように距離ｄ１及び距離ｄ２が調整される。この構成は、ΩmaxとΩminの分離量が比較的に小さい場合には有用であるが、当該分離量が増大するにつれてΩmaxにおける結合損失及びΩminにおける結合損失がそれぞれ増大するため、結合損失を適切に抑制できない可能性がある。
　図２０は、本実施形態のＦＩＦＯデバイス（即ち、ｐ１＝８０μｍ）を用いてΩ１（Ｃ１３，Ｃ１４）＜Ω_Dmax＜Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）の関係が成立するように距離ｄ１及び距離ｄ２を調整した比較例としてのグラフであり、図１８に対応している（即ち、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２_max）。点Ｐ３１は、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）＝１４３μｍ（図１９参照）のときのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２を示す。点Ｐ３１Ｌは、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）＝１４３μｍのときの結合損失を示し、その値は、９．３×１０－４ｄＢである。一方、点Ｐ３２は、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）＝１２２μｍ（図１９参照）のときのビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２を示す。点Ｐ３２Ｌは、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）＝１２２μｍのときの結合損失を示し、その値は、１．３×１０－３ｄＢである。図２０によれば、図１８と比較してΩ１の分離量が増大したことにより結合損失が増大している。このため、コアピッチｐ１の増加に起因してΩ１の分離量が増大した場合においても、結合損失を適切に抑制できる技術の開発が望まれている。
　そこで、本願発明者らは、レンズ間距離Ｚを距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxから意図的に減少させることにより、上記課題を解決できるという知見を得た。図２１Ａ乃至図２１Ｃを参照して具体的に説明する。図２１Ａ乃至図２１Ｃは、何れも、ビームウェスト半径Ω１＝Ω２とビームウェスト距離和Ｄ１＋Ｄ２との関係（曲線Ｌ１参照）、及び、ビームウェスト半径Ω１＝Ω２と結合損失との関係（曲線Ｌ１１、Ｌ１２及びＬ１３参照）を規定したグラフである。図２１Ａではレンズ間距離Ｚは８０ｍｍに設定されており、図２１Ｂではレンズ間距離Ｚは７９ｍｍに設定されており、図２１Ｃではレンズ間距離Ｚは７８ｍｍに設定されている。
　図２１Ａ乃至図２１Ｃによれば、結合損失の挙動は、レンズ間距離Ｚに依存していることが分かる。より詳細には、Ｚ＜Ｄ１＋Ｄ２_max（＝８０．８９ｍｍ）である場合、曲線Ｌ１１乃至Ｌ１３は、何れも、結合損失がゼロとなる２つの極小点と、これら２つの極小点の間に位置する１つの極大点と、を有している。２つの極小点のビームウェスト半径Ω１＝Ω２を大きいほうから順に「極小点第１ビームウェスト半径Ωmin1」及び「極小点第２ビームウェスト半径Ωmin2」と規定すると、Ωmin1とΩmin2との差分は、Ｚが減少するにつれて増加している。また、極大値は、Ｚが減少するにつれて増加している。
　上述したように、２通りのバリエーションを有する第１ビームウェスト半径Ω１の分離量ΔΩ１（＝Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）－Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４））は、コアピッチｐ１に依存するため、コアピッチｐ１が不変である場合、分離量ΔΩ１も略一定である。本実施形態では、レンズ間距離Ｚは、Ωmin1とΩmin2との差分が分離量ΔΩ１に実質的に等しくなるように設定されている。加えて、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）及びΩ１（Ｃ１３，Ｃ１４）（別言すれば、バリエーションの数が２つであるときのビームウェスト最大半径Ωmax及びビームウェスト最小半径Ωmin）が、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）≒Ωmin1、且つ、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）≒Ωmin2を満たすように距離ｄ１が調整されている。
　図２１Ａの例では、Ｚは、Ωmin1とΩmin2との差分が分離量ΔΩ１に等しくなるように設定されている。加えて、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）≒Ωmin1、且つ、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）≒Ωmin2を満たすように距離ｄ１が調整されている。点Ｐ１３１Ｌは、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）＝１４３μｍのときの結合損失を示し、その値は、６．６×１０－５ｄＢである。一方、点Ｐ１３２Ｌは、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）＝１２２μｍのときの結合損失を示し、その値は、３．４×１０－５ｄＢである。
　図２１Ａの例によれば、上記の通りにＺ及びｄ１を設定（調整）することにより、図２０の例と比較して、結合損失を格段に低減できることが確認された。なお、本実施形態においても、ΔΩ１≒Ωmin1－Ωmin2、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）≒Ωmin1、且つ、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）≒Ωmin2の関係式が成立している限り、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）に対応するＤ１＋Ｄ２、及び、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）に対応するＤ１＋Ｄ２は、必ずしも距離和最大値Ｄ１＋Ｄ２_maxの９１．５％以上である必要はない。
　これに対し、図２１Ｂの例（Ｚ＝７９ｍｍ）では、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）＝１４３μｍのときの結合損失は２．９×１０－４ｄＢであり（点Ｐ２３１Ｌ参照）、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）＝１２２μｍのときの結合損失は８．２×１０－４ｄＢであった（点Ｐ２３２Ｌ参照）。また、図２１Ｃの例（Ｚ＝７８ｍｍ）では、Ω１（Ｃ１１，Ｃ１２）＝１４３μｍのときの結合損失は１．８×１０－３ｄＢであり（点Ｐ３３１Ｌ参照）、Ω１（Ｃ１３，Ｃ１４）＝１２２μｍのときの結合損失は４．０×１０－３ｄＢであった（点Ｐ３３２Ｌ参照）。このように、結合損失は、Ｚが減少し過ぎると増大していく。
　以上より、本実施形態によれば、コアピッチｐ１の増加に起因してΩ１の分離量が増大した場合においても、レンズ間距離Ｚを意図的に減少させるとともに距離ｄ１を調整することにより、結合損失を適切に抑制できる。また、極小点付近の結合損失の挙動は、Ｚが増加するにつれて緩やかになる（図１１Ａ乃至図１１Ｃ及び図２１Ａ乃至図２１Ｃ参照）。このため、ビームウェスト径２Ω１＝２Ω２の変化に対して結合損失がロバストなデバイスを実現できる。
　なお、本願発明者らは、ＭＣＦ２０ｐを備えるＦＩＦＯデバイス（即ち、ｐ１＝５０μｍ）についても同様のシミュレーションを行った。Ω１（Ｃ１，Ｃ２）及びΩ１（Ｃ３，Ｃ４）には、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１４１μｍ及びΩ１（Ｃ３，Ｃ４）＝１２８μｍの組み合わせを採用した。まず、比較例として、Ｚ＝Ｄ１＋Ｄ２_max（＝８０．８９ｍｍ）の場合の結合損失は、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１４１μｍのときに３．８×１０－４ｄＢとなり、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１２８μｍのときに５．０×１０－５ｄＢとなり、平均値は２．２×１０－４ｄＢとなった。これに対し、Ｚ＝８０．４５ｍｍの場合の結合損失は、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１４１μｍのときに６．７×１０－５ｄＢとなり、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１２８μｍのときに４．６×１０－５ｄＢとなり、平均値は５．６×１０－５ｄＢとなった。Ｚ＝８０．００ｍｍの場合の結合損失は、Ω１（Ｃ１，Ｃ２）＝１４１μｍのときに１．２×１０－５ｄＢとなり、Ω１（Ｃ３，Ｃ４）＝１２８μｍのときに４．４×１０－４ｄＢとなり、平均値は２．２×１０－４ｄＢとなった。平均値で比較すると、Ｚ＝８０．４５ｍｍのときに結合損失を最も低減できることが分かった。
　以上、実施形態及び変形例に係るＦＩＦＯデバイスについて説明したが、本発明は上記実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
　例えば、シングルモードのシングルコア光ファイバ群の代わりに、マルチモードに対応したシングルコア光ファイバを複数備えるシングルコア光ファイバ群が用いられてもよい。０次モードの光線について上記条件１及び条件２が成立するようにＦＩＦＯデバイスが設計されていれば、マルチモードの光線が伝播する場合においても結合損失を低減することができる。
　また、ＭＣＦのコア配置は対称性を有していなくてもよい。コア配置が非対称であっても、第１レンズ３０から出射される各コアからの光線に対応した位置に第２レンズ群４０を配置することにより、第１レンズ３０及び第２レンズ群４０はＦＩＦＯデバイスとして適切に機能し得る。
　更に、ＳＣＦ及びＭＣＦは、円柱状に限られず、軸線と直交する断面が任意の形状（例えば、楕円又は多角形）を有する柱状であってもよい。
　更に、ＳＣＦ５１乃至５４の端面５１ａ乃至５４ａが斜研磨されていてもよい。この場合、光結合損失を低減するためには端面５１ａ乃至５４ａに入射する光線の主光線をレンズ４１乃至４４の光軸に対して所定の角度だけ傾斜させる必要がある。このため、図４とは異なり、レンズ４１乃至４４に入射する光線の主光線は、焦点ｆ２から所定の距離だけシフトした位置を通過するように設計される。
　更に、上記実施形態及び変形例のＦＩＦＯデバイスは、光線が第２進行方向に伝播するデバイスとしても機能し得る。
　１０：ＦＩＦＯデバイス、２０：マルチコア光ファイバ、２０ａ：端面、３０：第１レンズ、４０：第２レンズ群、４１，４２，４３，４４：第２レンズ、５０：シングルコア光ファイバ群、５１，５２，５３，５４：シングルコア光ファイバ

 

Claims (5)

  1. 　柱状であり、軸線方向に沿って延在している複数の第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）と、前記複数の第１コアを取り囲む共通のクラッド（ＣＬ）と、を備えるマルチコア光ファイバ（２０）と、
    　前記マルチコア光ファイバ（２０）の中心軸線と平行な第１光軸を有し、前記マルチコア光ファイバに対応して設けられる第１レンズ（３０）と、
    　前記第１光軸と平行な第２光軸を有する第２レンズ（４１乃至４４）を複数有する第２レンズ群（４０）と、
    　柱状であり、前記第２光軸と平行な中心軸線に沿って延在している１つの第２コア（Ｃ）と、前記第２コア（Ｃ）を取り囲むクラッド（ＣＬｓ）と、を有するシングルコア光ファイバ（５１乃至５４）を前記第２レンズ（４１乃至４４）と同数だけ備えるシングルコア光ファイバ群（５０）と、
    　を備え、前記マルチコア光ファイバ（２０）の各前記第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）から出射され、前記第１レンズ（３０）及び各前記第１コアに対応する前記第２レンズ（４１乃至４４）を経由して前記第２レンズに対応する前記シングルコア光ファイバ（５１乃至５４）の前記第２コア（Ｃ）上で収束する光線の進行方向である第１進行方向と、各前記第２コアから出射され、対応する前記第２レンズ及び前記第１レンズを経由して前記第２レンズに対応する各前記第１コア上で収束する光線の進行方向である第２進行方向と、の何れか一方の方向に光線が伝播するように構成されたファンイン／ファンアウトデバイス（１０）において、
    　光線が前記第１進行方向に伝播すると仮定した場合において前記第１レンズ（３０）から出射された各光線のビームウェスト径を第１ビームウェスト径（２Ω１）と規定し、当該各光線の主光線の進行方向における前記第１レンズからビームウェスト位置までの距離を第１ビームウェスト距離（Ｄ１）と規定し、
    　光線が前記第２進行方向に伝播すると仮定した場合において各前記第２レンズ（４１乃至４４）から出射された光線のビームウェスト径を第２ビームウェスト径（２Ω２）と規定し、当該光線の主光線の進行方向における前記第２レンズからビームウェスト位置までの距離を第２ビームウェスト距離（Ｄ２）と規定し、
    　光線の主光線の進行方向における前記第１レンズ（３０）と各前記第２レンズ（４１乃至４４）との間の距離であるレンズ間距離（Ｚ）が、前記第１ビームウェスト径（２Ω１）と前記第２ビームウェスト径（２Ω２）とが一致するときの前記第１ビームウェスト距離（Ｄ１）と前記第２ビームウェスト距離（Ｄ２）との和であるビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）と等しい場合における前記ビームウェスト距離和の最大値を距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）と規定すると、
    　前記レンズ間距離（Ｚ）が前記距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）に実質的に等しく、且つ、前記ビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）が前記距離和最大値の９１．５％以上となるように前記マルチコア光ファイバ（２０）、前記第１レンズ（３０）、前記第２レンズ群（４０）、及び、前記シングルコア光ファイバ群（５０）が配置されている、
    　ファンイン／ファンアウトデバイス。
  2. 　請求項１に記載のファンイン／ファンアウトデバイスにおいて、
    　前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）の端面（２０ａｐ）は、その中心軸線と直交する面に対して所定の傾斜方向に所定の研磨角度だけ傾斜するように斜研磨され、これにより、光線の主光線の進行方向における各前記第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）と前記第１レンズ（３０）との間の距離（ｄ１（１）乃至ｄ１（４））にｎ通りのバリエーションが生じるとともに各前記第１コアからの光線の前記第１ビームウェスト径（２Ω１）にｎ通りのバリエーションが生じ、
    　各前記シングルコア光ファイバ（５１乃至５４）は、対応する各前記第２レンズ（４１乃至４４）に対して、各前記シングルコア光ファイバに対応する光線の前記第２ビームウェスト径（２Ω２）が、対応する前記第１ビームウェスト径（２Ω１）と一致するような位置に配置されており、
    　前記レンズ間距離（Ｚ）が前記距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）に実質的に等しく、且つ、ｎ通りの前記第１及び前記第２ビームウェスト径（２Ω１＝２Ω２）に対応するｎ通りの前記ビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）は、何れも前記距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）の９１．５％以上である、
    　ファンイン／ファンアウトデバイス。
  3. 　柱状であり、軸線方向に沿って延在している複数の第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）と、前記複数の第１コアを取り囲む共通のクラッド（ＣＬ）と、を備えるマルチコア光ファイバ（２０ｐ）と、
    　前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）の中心軸線と平行な第１光軸を有し、前記マルチコア光ファイバに対応して設けられる第１レンズ（３０）と、
    　前記第１光軸と平行な第２光軸を有する第２レンズ（４１乃至４４）を複数有する第２レンズ群（４０）と、
    　柱状であり、前記第２光軸と平行な中心軸線に沿って延在している１つの第２コア（Ｃ）と、前記第２コア（Ｃ）を取り囲むクラッド（ＣＬｓ）と、を有するシングルコア光ファイバ（５１乃至５４）を前記第２レンズ（４１乃至４４）と同数だけ備えるシングルコア光ファイバ群（５０）と、
    　を備え、前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）の各前記第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）から出射され、前記第１レンズ（３０）及び各前記第１コアに対応する前記第２レンズ（４１乃至４４）を経由して前記第２レンズに対応する前記シングルコア光ファイバ（５１乃至５４）の前記第２コア（Ｃ）上で収束する光線の進行方向である第１進行方向と、各前記第２コアから出射され、対応する前記第２レンズ及び前記第１レンズを経由して前記第２レンズに対応する各前記第１コア上で収束する光線の進行方向である第２進行方向と、の何れか一方の方向に光線が伝播するように構成されたファンイン／ファンアウトデバイス（１０）において、
    　光線が前記第１進行方向に伝播すると仮定した場合において前記第１レンズ（３０）から出射された各光線のビームウェスト径を第１ビームウェスト径（２Ω１）と規定し、前記各光線の主光線の進行方向における前記第１レンズからビームウェスト位置までの距離を第１ビームウェスト距離（Ｄ１）と規定し、
    　光線が前記第２進行方向に伝播すると仮定した場合において各前記第２レンズ（４１乃至４４）から出射された光線のビームウェスト径を第２ビームウェスト径（２Ω２）と規定し、前記光線の主光線の進行方向における前記第２レンズからビームウェスト位置までの距離を第２ビームウェスト距離（Ｄ２）と規定し、
    　前記光線の主光線の進行方向における前記第１レンズ（３０）と各前記第２レンズ（４１乃至４４）との間の距離であるレンズ間距離（Ｚ）が、前記第１ビームウェスト径（２Ω１）と前記第２ビームウェスト径（２Ω２）とが一致するときの前記第１ビームウェスト距離（Ｄ１）と前記第２ビームウェスト距離（Ｄ２）との和であるビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）と等しい場合における前記ビームウェスト距離和の最大値を距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）と規定すると、
    　前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）の端面（２０ａｐ）は、その中心軸線と直交する面に対して所定の傾斜方向に所定の研磨角度だけ傾斜するように斜研磨され、これにより、光線の進行方向における各前記第１コア（Ｃ１乃至Ｃ４）と前記第１レンズ（３０）との間の距離（ｄ１（１）乃至ｄ１（４））にｎ通りのバリエーションが生じるとともに各前記第１コアからの光線の前記第１ビームウェスト径（２Ω１）にはｎ通りのバリエーションが生じ、
    　各前記シングルコア光ファイバ（５１乃至５４）は、対応する各前記第２レンズ（４１乃至４４）に対して、各前記シングルコア光ファイバに対応する光線の前記第２ビームウェスト径（２Ω２）が、対応する前記第１ビームウェスト径（２Ω１）と一致するような位置に配置されており、
    　更に、前記ビームウェスト距離和（Ｄ１＋Ｄ２）が前記距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）であるときの前記第１及び前記第２ビームウェスト径（２Ω１＝２Ω２）を距離最大時ビームウェスト径（Ω_Dmax）と規定し、ｎ通りの前記第１及び前記第２ビームウェスト径の最大値及び最小値をそれぞれビームウェスト最大径（２Ωmax）及びビームウェスト最小径（２Ωmin）と規定すると、
    　前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）は、前記第１レンズ（３０）に対して、前記ビームウェスト最大径（２Ωmax）が前記距離最大時ビームウェスト径（Ω_Dmax）よりも大きく、且つ、前記ビームウェスト最小径（２Ωmin）が前記距離最大時ビームウェスト径よりも小さくなるような位置に配置されている、
    　ファンイン／ファンアウトデバイス。
  4. 　請求項３に記載のファンイン／ファンアウトデバイスにおいて、
    　前記レンズ間距離（Ｚ）は、前記距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）に実質的に等しい、
    　ファンイン／ファンアウトデバイス。
  5. 　請求項３に記載のファンイン／ファンアウトデバイスにおいて、
    　前記第１及び前記第２ビームウェスト径（２Ω１＝２Ω２）と光結合損失との関係を規定した曲線は、前記レンズ間距離（Ｚ）が前記距離和最大値（Ｄ１＋Ｄ２_max）未満の場合、前記光結合損失がゼロとなる２つの極小点と、前記２つの極小点の間に位置する１つの極大点と、を有しており、
    　前記２つの極小点の前記第１及び前記第２ビームウェスト径を大きいほうから順に極小点第１ビームウェスト径（２Ωmin1）、及び、極小点第２ビームウェスト径（２Ωmin2）と規定すると、前記極小点第１ビームウェスト径と前記極小点第２ビームウェスト径との差分は、前記レンズ間距離（Ｚ）が減少するにつれて増加し、
    　ｎ＝２である場合、
    　前記レンズ間距離（Ｚ）は、前記差分が、前記ビームウェスト最大径（２Ωmax）と前記ビームウェスト最小径（２Ωmin）との分離量に実質的に等しくなるように設定されており、且つ、
    　前記マルチコア光ファイバ（２０ｐ）は、前記第１レンズ（３０）に対して、前記ビームウェスト最大径（２Ωmax）が前記極小点第１ビームウェスト径（２Ωmin1）と略一致し、前記ビームウェスト最小径（２Ωmin）が前記極小点第２ビームウェスト径（２Ωmin2）と略一致するような位置に配置されている、
    　ファンイン／ファンアウトデバイス。

     
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