WO2024105776A1 - 光ファイバカプラ、光ファイバカプラの製造方法、及び光合分波方法 - Google Patents

Abstract

光ファイバカプラ（１）は、研磨面（１４）を側面（１５）に有し、研磨面（１４）を含む部分において第１曲率半径（Ｒ_ｌｖ）で曲げられている光ファイバ（１０）と、研磨面（１４）に接合する研磨面（２４）を側面（２５）に有し、研磨面（２４）を含む部分において光ファイバ（１０）の第１曲率半径（Ｒ_ｌｖ）よりも大きい第２曲率半径（Ｒ_ｂｒ）で曲げられている光ファイバ（２０）とを備える。

Description

光ファイバカプラ、光ファイバカプラの製造方法、及び光合分波方法

　本開示は、光ファイバカプラ、光ファイバカプラの製造方法、及び光合分波方法に関する。

　道路の拡幅工事などの種々の工事に伴う光ファイバのルート変更などにより、屋外に敷設されている光ファイバを一時的に切断することがある。光ファイバを切断すると通信サービスが一時的に停止するため、光ファイバを切断することなく当該光ファイバの経路を分岐させる或いは他の経路と合流させる技術が求められている。非特許文献１は、この技術に関連する文献であり、側面研磨法を用いた光ファイバカプラの製造について検討している。

T. Uematsu, K. Noto, H. Iida, H. Hirota, and K. Katayama, "Optical Coupling Technique Based on Fiber Side-polishing Without Service Interruption", IEEE Photon. Technol. Lett. vol. 34, no. 19, pp.1042-1045, Oct. 2022.

　説明の便宜上、ネットワークに既に敷設された光ファイバを現用光ファイバと称する。また、現用光ファイバに新たに接続される光ファイバを分岐ファイバと称する。現用光ファイバは、共同溝や架空線などのネットワークを構築する設備に敷設されている。敷設場所は屋内、屋外の何れでもよい。また、現用光ファイバは、ネットワークの光通信に既に使用されていてもよく、敷設された状態で使用されていなくてもよい。

　ネットワークに既に敷設された光ファイバは、十分に引き出すことが困難である。従って、現用光ファイバに対して非特許文献１の技術を適用する場合、光ファイバ側面の研磨作業は、電柱上の高所やマンホール内の狭所などの作業空間が限られた場所で行うことが多くなる。このような場所での分岐作業は作業者の負担を増大させやすい。

　本開示は上述の事情を鑑みて成されたものであり、光ファイバの分岐又は合流作業における作業者の負担を軽減することが可能な光ファイバカプラ、光ファイバカプラの製造方法、及び光合分波方法の提供を目的とする。

　本開示の一態様に係る光ファイバカプラは、第１研磨面を側面に有し、前記第１研磨面を含む部分において第１曲率半径で曲げられている第１光ファイバと、前記第１研磨面に接合した第２研磨面を側面に有し、前記第２研磨面を含む部分において前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径で曲げられている第２光ファイバとを備える。

　本開示の一態様に係る光ファイバカプラの製造方法は、第１曲率半径で曲げられた第１光ファイバの側面に形成された第１研磨面と、前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径で曲げられた前記第２光ファイバの側面に形成された第２研磨面とを接合させる。

　本開示の一態様に係る光合分波方法は、第１曲率半径で曲げられた第１光ファイバの側面に形成された第１研磨面と、前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径で曲げられた前記第２光ファイバの側面に形成された第２研磨面とを接合させる。

　本開示によれば、光ファイバの分岐又は合流作業における作業者の負担を軽減することが可能な光ファイバカプラ、光ファイバカプラの製造方法、及び光合分波方法を提供することができる。

図１Ａは、本開示の実施形態に係る光ファイバカプラの断面図である。 図１Ｂは、本実施形態に係る光ファイバカプラの断面図である。 図２Ａは、本実施形態に係る研磨装置の一例を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す治具の断面図である。 図３は、１００％の結合効率を得るために必要なコア間隔の曲率半径依存性を示すグラフである。 図４は、結合効率の研磨損失依存性を示すグラフである。

　以下、本開示の実施形態に係る光ファイバカプラ、光ファイバカプラの製造方法、及び光合分波方法について説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

　まず、本実施形態に係る光ファイバカプラ１について説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、光ファイバカプラ１の断面図である。図１Ａに示すように、光ファイバカプラ１は、光ファイバ（第１光ファイバ）１０と、光ファイバ（第２光ファイバ）２０とを備えている。これらの断面図は、光ファイバ１０の中心軸１０ａと光ファイバ２０の中心軸２０ａを含む。

　光ファイバ１０は、例えば上述の現用光ファイバであり、ネットワーク（図示せず）に既に敷設されている。光ファイバ１０は、コア（第１コア）１１と、クラッド（第１クラッド）１２と、被覆（第１被覆）１３とを備えている。光ファイバ１０は、シングルモード光ファイバ又はマルチモード光ファイバである。

　光ファイバ２０は、例えば上述の分岐ファイバであり、ネットワーク（図示せず）の追加経路として光ファイバ１０に新たに接続する。光ファイバ２０は、コア（第２コア）２１と、クラッド（第２クラッド）２２と、被覆（第２被覆）２３とを備えている。光ファイバ２０も、シングルモード光ファイバ又はマルチモード光ファイバである。

　光ファイバ１０は、研磨面（第１研磨面）１４を側面１５に有する。研磨面１４は、側面１５の研磨によって形成される。この研磨加工は、例えば後述の研磨装置３０（図２Ａ参照）によって遂行することができる。この研磨加工により、研磨面１４において被覆１３が除去され、クラッド１２の一部が残存する。ここで、研磨面１４からコア１１までのクラッド１２の厚さの最小値を、残存クラッド厚（第１残存クラッド厚）ｄ_ｌｖと定義する。

　光ファイバ１０と同様に、光ファイバ２０は、研磨面（第２研磨面）２４を側面２５に有する。研磨面２４は、側面２５の研磨によって形成される。この研磨加工も、例えば後述の研磨装置３０によって遂行することができる。この研磨加工により、研磨面２４において被覆２３が除去され、クラッド２２の一部が残存する。ここで、研磨面２４からコア２１までのクラッド２２の厚さの最小値を、残存クラッド厚（第２残存クラッド厚）ｄ_ｂｒと定義する。

　光ファイバ１０は、少なくとも研磨面１４を含む部分において曲率半径（第１曲率半径）Ｒ_ｌｖで曲げられている。研磨面１４は、曲率半径Ｒ_ｌｖで曲げられた状態に置かれた光ファイバ１０の側面１５への研磨によって形成される。従って、光ファイバ１０が曲率半径Ｒ_ｌｖで曲げられた状態で、研磨面１４は、光ファイバ１０の長手方向に延びる楕円状の平面を形成する。

　光ファイバ２０は、少なくとも研磨面２４を含む部分において曲率半径（第２曲率半径）Ｒ_ｂｒで曲げられている。研磨面２４は、曲率半径Ｒ_ｂｒで曲げられた状態に置かれた光ファイバ２０の側面２５への研磨によって形成される。従って、光ファイバ２０が曲率半径Ｒ_ｂｒで曲げられた状態で、研磨面２４は、光ファイバ２０の長手方向に延びる楕円状の平面を形成する。

　研磨面１４と研磨面２４は、接合の際、図１Ｂに示すように、厚さｓの屈折率整合剤２が研磨面１４と研磨面２４の間に設けられる。屈折率整合剤２の屈折率は、クラッド１２及びクラッド２２の各屈折率よりも小さい。これにより挿入損失の増加が抑制される。

　研磨面１４と研磨面２４の接合により、コア１１とコア２１は、コア間隔ｄ（図１Ｂ参照）を置いて互いに位置することになる。コア間隔ｄは、コア１１とコア２１の最小間隔であり、クラッド１２の残存クラッド厚ｄ_ｌｖと、クラッド２２の残存クラッド厚ｄ_ｂｒと、屈折率整合剤２の厚さｓの総和である。

　光ファイバ２０の曲率半径Ｒ_ｂｒは、光ファイバ１０の曲率半径Ｒ_ｌｖよりも大きい。換言すれば、式（１）で表すように、曲率半径Ｒ_ｌｖは曲率半径Ｒ_ｂｒよりも小さい。

式（１）を満たす限り、曲率半径Ｒ_ｌｖと曲率半径Ｒ_ｂｒの各値は任意に設定できる。例えば曲率半径Ｒ_ｌｖは０．２５ｍである。一方、曲率半径Ｒ_ｂｒは例えば１ｍである。

　ここで、曲率半径Ｒ_ｌｖと曲率半径Ｒ_ｂｒについて説明する。
　コア１１とコア２１の間の結合係数をｃ_０、コア１１とコア２１の間の実効作用長をＬとする。結合効率（分岐効率）ηは

と表すことができる。実効作用長Ｌは、Ｒ_ｌｖ＝Ｒ_ｂｒの場合、

と表される。一方、Ｒ_ｌｖ≠Ｒ_ｂｒの場合は、

と表される。なお、ａはコア１１とコア２１の直径、νは伝搬モードに関するパラメータで、光の波長をλ、光ファイバ１０、２０の実効屈折率をｎ_ｅｆｆ、クラッド１２、２２の屈折率をｎ_ｃｌとすると、以下の式で表すことができる。

　Ｒ_ｌｖ＜Ｒ_ｂｒの場合に式（４）から得られる実効作用長Ｌの値は、Ｒ_ｌｖ＝Ｒ_ｂｒの場合に式（３）から得られる実効作用長Ｌの値よりも大きい。つまり、Ｒ_ｌｖ＜Ｒ_ｂｒを満たす場合、Ｒ_ｌｖ＝Ｒ_ｂｒの場合よりも実効作用長Ｌを長くすることができる。

　一方、結合係数ｃ_０はコア間隔ｄが広いほど減少する。従って、実効作用長Ｌが一定である場合、結合効率ηは、コア間隔ｄが広いほど減少してしまう。しかしながら、コア間隔ｄを広げても、実効作用長Ｌを長くすることによって、結合効率ηの減少分を補償することができる。上述の通り、実効作用長ＬはＲ_ｌｖ＜Ｒ_ｂｒの条件を課すことによって長くなる。つまり、光ファイバ２０の曲率半径Ｒ_ｂｒを、光ファイバ１０の曲率半径Ｒ_ｌｖよりも大きく設定することによって、１００％の結合効率ηを維持しつつ、コア間隔ｄを広げることができる。コア間隔ｄを広げることができるため、後述する研磨損失の増大を抑制できる。

　次に、本実施形態に係る光ファイバカプラ１の製造方法及び光合分波方法について説明する。図２Ａは、本実施形態に係る研磨装置３０の一例を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示す治具３２の断面図である。図２Ａに示すように、研磨装置３０は、研磨台３１と、治具３２とを備える。

　研磨台３１は平坦な上面３１ａを有し、この上面３１ａには研磨シート３３が載置される。治具３２は、研磨台３１の上面３１ａに対向する底面３２ａを有し、この底面３２ａには、半径Ｒで湾曲したＶ溝３４が形成されている。半径Ｒは、曲率半径Ｒ_ｌｖよりも僅かに小さい。なお、研磨台３１及び治具３２の材質は、例えばガラスである。

　図２Ａに示すように、Ｖ溝３４は、底面３２ａからの深さが底面３２ａの中央付近で最も浅くなるように形成されている。また、図２Ｂに示すように、このＶ溝３４の最小深さは、Ｖ溝３４に装着された光ファイバ１０の一部が長さ（便宜上、研磨面長さと称する）Ｗだけ底面３２ａから露出する値に設定される。

　研磨装置３０を用いた光ファイバ１０の研磨加工は、光ファイバ１０に光ファイバ２０を接続する現場で行われる。まず、研磨前の準備工程として、光ファイバ１０からの漏洩光を測定する状態を準備する。具体的には、光ファイバ１０にレーザ光（便宜上、伝播光と称する）が伝播している状態で光ファイバ１０に曲げを付与し、曲げられた部分から漏洩するレーザ光（便宜上、漏洩光と称する）の強度を光強度計（図示せず）によって測定する。

　上述の通り、光ファイバ１０は現用光ファイバである。従って、光ファイバ１０を伝播する光は、そのネットワークを伝播する通信光又は所定の光源を用いて導入された疑似的な通信光である。何れの場合も、通信に影響を与えない程度の損失が生じる曲げを光ファイバ１０に付与し、曲げられた部分からの漏洩光の強度測定を、研磨が終了するまで行う。

　次に、治具３２のＶ溝３４内に光ファイバ１０を固定する。光ファイバ１０がＶ溝３４に固定されると、光ファイバ１０の側面１５の一部が治具３２の底面３２ａから露出する（図２Ｂ参照）。

　次に、側面１５の一部が治具３２の底面３２ａから露出した状態で、治具３２の底面３２ａを、研磨台３１に載置した研磨シート３３に対向させる。その後、治具３２の底面３２ａから露出した光ファイバ１０の側面１５を研磨シート３３に押し当てて研磨する。

　側面１５の研磨は、漏洩する通信光の強度を監視しながら行われる。研磨が進むと、研磨面がコア１１に近づき（即ち残存クラッド厚ｄ_ｌｖが減少し）、測定中の漏洩光の強度が徐々に減少する。そして、漏洩光の強度が所定の値に達したときに、研磨を終了し、曲げを解放する。これら一連の工程により研磨面１４の形成が完了する。

　残存クラッド厚ｄ_ｂｒを有する光ファイバ２０の研磨面２４も、上述した工程と同様の工程を経て形成される。但し、研磨面２４は、曲率半径Ｒ_ｂｒよりも僅かに小さい半径Ｒを持つＶ溝３４が形成された治具３２を用いて、工場等の遠隔地で予め形成される。

　研磨面１４と研磨面２４のうちの一方には、液状の屈折率整合剤２が塗布される。なお、屈折率整合剤２は固形のものでも用いてもよい。この場合、屈折率整合剤２は研磨面１４と研磨面２４の間に挿入され、両研磨面によって挟まれる。

　次に、研磨面１４と研磨面２４を互いに対向させ、研磨面１４と研磨面２４を接合する。研磨面１４と研磨面２４が接合すると、光ファイバ１０は、少なくとも研磨面１４を含む部分において、曲率半径Ｒ_ｌｖで曲げられた状態を維持する。同様に、光ファイバ２０も、少なくとも研磨面２４を含む部分において、光ファイバ２０が曲率半径Ｒ_ｂｒで曲げられた状態を維持する。

　光ファイバ１０と光ファイバ２０の接合部分は、所定のケーシング（図示せず）に収容される。ケーシング（図示せず）は、光ファイバ１０と光ファイバ２０の接合部分を保護する。

　なお、研磨面１４と研磨面２４を接合する前に、研磨面１４と研磨面２４を互いに接触させた状態で、所望の結合効率ηが得られるまで両者を相対移動させてもよい。結合効率ηは、研磨前後の漏洩光の強度変化を比較することによって算出できる。

　このように、研磨面１４を形成するための光ファイバ１０の研磨加工は、ネットワークの工事現場で行われる。工事現場は、例えば、電柱上の高所やマンホール内の狭所であり、作業空間が限られていることが多い。従って、工事現場に導入される研磨装置３０も小型且つ軽量なものが望まれる。

　本実施形態に係る光ファイバカプラ１の製造方法では、研磨面１４を形成する際、光ファイバ１０が曲率半径Ｒ_ｌｖで曲げられた状態で治具３２に保持されている。上述の通り、この曲率半径Ｒ_ｌｖは曲率半径Ｒ_ｂｒよりも小さい。例えば曲率半径Ｒ_ｌｖは０．２５ｍであり、曲率半径Ｒ_ｂｒは例えば１ｍである。この場合、治具３２の長さは、研磨面２４の形成に用いる治具の長さよりも１／４程度となり、治具３２は小型化する。その結果、研磨装置３０も小型化且つ軽量化し、工事現場において研磨作業に携わる作業者の負担を軽減することができる。

　一方、光ファイバ２０の研磨加工は予め工場等の遠隔地で行われる。光ファイバ１０の研磨加工と異なり、光ファイバ２０は工場内の研磨装置（図示せず）を用いて研磨される。工場に設置された研磨装置は、工事現場に導入される研磨装置３０と異なり、時間や作業空間に囚われることなく精密な加工が可能である。

　従って、光ファイバ２０の研磨面２４における残存クラッド厚ｄ_ｂｒは、研磨面１４における残存クラッド厚ｄ_ｌｖよりも小さい値を設定してもよい。この設定により、残存クラッド厚ｄ_ｌｖに余裕が生まれ、所望の分岐比を得るための研磨加工の精度が緩和される。従って、研磨作業に携わる作業者の負担が更に軽減される。

　図３は、解析結果の一例として、１００％の結合効率η（即ち、式（２）においてｃ_ｏＬ＝π／２）を得るために必要なコア間隔ｄの曲率半径依存性を示すグラフである。図中の実線、点線、及び破線は、それぞれ曲率半径Ｒ_ｂｒが０．２５ｍ、０．５ｍ、及び１ｍである場合に曲率半径Ｒ_ｌｖを変化させたときのコア間隔ｄの変化を示す。二点鎖線は、曲率半径Ｒ_ｂｒと曲率半径Ｒ_ｌｖを等しく変化させたときのコア間隔ｄの変化を示す。

　図３の解析では、コア１１とコア２１の各半径を４．２μｍに設定した。光ファイバ１０のコア１１とクラッド１２の屈折率差を０．３１％に設定した。これは、光ファイバ２０についても同一である。また、光の波長は１２６０ｎｍを想定した。

　図３の結果は、曲率半径Ｒ_ｌｖが一定の場合、曲率半径Ｒ_ｂｒが増加するほどコア間隔が拡大することを示している。従って、曲率半径Ｒ_ｌｖを変えることなく、曲率半径Ｒ_ｂｒのみ増加させることで、コア間隔ｄを拡大させることができる。

　曲率半径Ｒ_ｌｖと曲率半径Ｒ_ｂｒを等しく減少させた場合、コア間隔ｄが極端に狭くなってしまう。つまり、この場合は残存クラッド厚ｄ_ｌｖ、ｄ_ｂｒの合計値を減少させなければならない。しかしながら、各残存クラッド厚の減少は逆に、各コアに対する研磨面の接近によって生じる挿入損失（いわゆる研磨損失）を増大させてしまう。また、研磨面１４と研磨面２４の研磨精度（例えば、表面粗さや平行度）が低い場合は、必要なコア間隔ｄを確保できず、結合効率ηが悪化する可能性が高まる。

　本実施形態は上述の問題を改善する。即ち、曲率半径Ｒ_ｂｒを曲率半径Ｒ_ｌｖよりも大きな値に設定することによって、コア間隔ｄを拡大させる。その結果、研磨損失の増大と結合効率ηの悪化を抑制することできる。

　図４は、屈折率整合剤の厚さｓと残存クラッド厚ｄ_ｂｒの和を１μｍと想定したときの、結合効率ηの研磨損失依存性を示すグラフである。図中の実線、破線、及び二点鎖線は、それぞれ曲率半径Ｒ_ｂｒが１ｍ、０．５ｍ、及び０．２５ｍである場合に研磨損失を変化させたときの結合効率ηの変化を示す。なお、何れの場合も、曲率半径Ｒ_ｌｖは０．２５ｍである。従って、実線及び破線はそれぞれ、本実施形態の第１解析例及び第２解析であり、曲率半径Ｒ_ｂｒが曲率半径Ｒ_ｌｖよりも大きい。また、二点鎖線は本実施形態に対する比較例であり、曲率半径Ｒ_ｌｖと曲率半径Ｒ_ｂｒが等しい。

　図４に示す結合効率ηは、非特許文献１と同様の方法で、研磨損失の残存クラッド厚ｄ_ｌｖ依存性を求め、更に、コア間隔ｄの研磨損失依存性を求めることによって算出される。図４の解析で想定した光ファイバの諸特性は、図３の解析で採用したものと同一である。更に、研磨面１４の粗さの標準偏差を０．２μｍ、最小自己相関長さを３．０μｍとした。

　図４は、研磨損失が同一の場合、実線及び破線で示す各解析例の結合効率ηが、２点鎖線で示す比較例の結合効率ηよりも高いことを示している。また、第１解析例（即ち、曲率半径Ｒ_ｌｖが０．２５ｍ且つ曲率半径Ｒ_ｂｒが１ｍの場合）、最も結合効率ηが高い。更に、第１解析例及び第２解析例の何れでも、結合効率１００％を得るために必要な研磨損失が従来の０．５ｄＢから０．３５ｄＢに低減していることが判る。

　このように、本実施形態によれば、互いに接合される２本の光ファイバの曲率半径を変えることによって、上述の研磨損失の増大を抑えつつ、結合効率（分岐効率）の低下を抑えることができる。

　なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１　光ファイバカプラ
２　屈折率整合剤
１０　光ファイバ（第１光ファイバ）
１１　コア（第１コア）
１２　クラッド（第１クラッド）
１３　被覆（第１被覆）
１４　研磨面（第１研磨面）
１５　側面
２０　光ファイバ（第２光ファイバ）
２１　コア（第２コア）
２２　クラッド（第２クラッド）
２３　被覆（第２被覆）
２４　研磨面（第２研磨面）
２５　側面
３０　研磨装置
３１　研磨台
３２　治具
３３　研磨シート
３４　Ｖ溝
ｄ　コア間隔
ｄ_ｌｖ　残存クラッド厚（第１残存クラッド厚）
ｄ_ｂｒ　残存クラッド厚（第２残存クラッド厚）
Ｒ_ｂｒ　曲率半径（第２曲率半径）
Ｒ_ｌｖ　曲率半径（第１曲率半径）
η　結合効率（分岐効率）
 

Claims (8)

1. 　第１研磨面を側面に有し、前記第１研磨面を含む部分において第１曲率半径で曲げられている第１光ファイバと、
   　前記第１研磨面に接合した第２研磨面を側面に有し、前記第２研磨面を含む部分において前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径で曲げられている第２光ファイバと、
   を備える
   光ファイバカプラ。
2. 　前記第１光ファイバはネットワークに既に敷設された光ファイバであり、
   　前記第２光ファイバは前記第１光ファイバに新たに接合する光ファイバである
   請求項１に記載の光ファイバカプラ。
3. 　前記第２研磨面における残存クラッド厚は、前記第１研磨面における残存クラッド厚よりも小さい
   請求項１又は２に記載の光ファイバカプラ。
4. 　第１曲率半径で曲げられた第１光ファイバの側面に形成された第１研磨面と、前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径で曲げられた第２光ファイバの側面に形成された第２研磨面とを接合させる
   光ファイバカプラの製造方法。
5. 　前記第１研磨面と前記第２研磨面の接合前に、所定の結合効率が得られるまで前記第１研磨面と前記第２研磨面を互いに接触させた状態で相対移動させる
   請求項４に記載の光ファイバカプラの製造方法。
6. 　前記第１光ファイバはネットワークに既に敷設された光ファイバであり、
   　前記第２光ファイバは前記ネットワークの追加経路として前記第１光ファイバに新たに接続する光ファイバである
   請求項４又は５に記載の光ファイバカプラの製造方法。
7. 　前記第１研磨面を、前記第１光ファイバが敷設された場所での前記第１光ファイバの前記側面の研磨によって形成する
   請求項４に記載の光ファイバカプラの製造方法。
8. 　第１曲率半径で曲げられた第１光ファイバの側面に形成された第１研磨面と、前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径で曲げられた第２光ファイバの側面に形成された第２研磨面とを接合させる
   光合分波方法。

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