JP2009128371A

JP2009128371A - マルチモード光カプラ

Info

Publication number: JP2009128371A
Application number: JP2007299600A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Nakai; 道弘中居
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-06-11
Also published as: US20090175575A1; US7693367B2

Abstract

【課題】短い結合距離で、十分な光の結合を、簡単な構造で実現し得るマルチモード光カプラの提供。
【解決手段】２本の光ファイバの一部を溶融一体化してなる一体化部を有し、一方の光ファイバがマルチモードファイバであり、このマルチモードファイバを伝搬するマルチモード光を他方の光ファイバのガラス中に結合させるマルチモード光カプラにおいて、一体化部の外枠線に複数の変曲点があり、その両端の変曲点の間の領域である変曲点間部の長さが２ｍｍ以下であり、且つ変曲点間部の最大外径が２本の光ファイバの外径の和の５０％〜９０％の範囲内であることを特徴とするマルチモード光カプラ。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信、特に近距離伝送システムの分野、ファイバレーザなどの分野に用いられる光ファイバカプラに関し、一体化部の構造をパラメータによって限定しマルチモード光の結合効率を最適化したマルチモード光カプラに関する。

光ファイバカプラ（以下、カプラと略記する。）の構造を大別すると、２本の光ファイバを並列した上で加熱し、溶融一体化し、一つのファイバの光を、側方から一方のファイバに結合させる（この励起方式は側方励起と呼ばれている）カプラと、複数のファイバを束ねた上でファイバ端面から光を結合させるバンドル型のカプラ（この励起方式は端面励起と呼ばれている）に分けることができる。
またカプラの作製方法として、ファイバを加熱することなどによって溶融し複数のファイバを一体化し、さらに延伸して一体化部の外径を縮小したカプラを融着延伸型カプラと称している。

融着延伸型カプラは、従来光通信に多用されているカプラであり、通常はシングルモードファイバの組み合わせでＴＡＰカプラ、３ｄＢカプラ、ＷＤＭカプラなど多様なカプラが実用化されている。本発明のカプラは、このようなシングルモードファイバ同士の結合ではなく、マルチモード間の結合を利用したマルチモード光カプラである。

一般に、マルチモード光の結合は、光アンプ（レーザ含む）に用いられる希土類添加ファイバに励起光を供給する際に用いられることがほとんどである。本発明のマルチモード光カプラも、光アンプの励起光結合用に好適に用いられる。
従来、マルチモード光の結合に用いるカプラに関して、例えば、特許文献１〜３に開示された技術が提案されている。
特許第２９８０２４８号公報特表２０００−５０２１９３号公報特開２００５−２４１７１２号公報

前記特許文献１〜３に開示された従来技術の中でも、特許文献１に開示されたカプラは、構造が簡単であり、作製の容易さ、熱・振動に対する安定性に優れている。しかし、特許文献１に開示されたカプラの構造では、マルチモードファイバに結合する割合は断面積比でおおむね決定され、例えば、
・マルチモードファイバ１本＋シングルモードファイバ１本の組み合わせでは１／（１＋１）＝５０％、
・マルチモードファイバ２本＋シングルモードファイバ１本の組み合わせでは１／（２＋１）＝３３％、程度の結合しか期待できない。

勿論、この問題を解決するために、シングルモードファイバのコアに希土類元素を添加し、励起光を暫時吸収する方法が考えられる。この場合、シングルモードファイバに結合した光は、コアの吸収によって失われるため、さらにマルチモードファイバからシングルモードファイバに結合が進むことになる。この結果、最終的には５０％を越える結合が得られることがわかっている。

しかし、一般的にコアによる光の吸収はゆっくりと進むため上記の方法で結合効率を高めようとすると、捻り合わせて一体化する部分の長さは非常に長くなる。
なお、特許文献１ではシングルモードファイバのコアに光を結合させているのか、シングルモードファイバのクラッドに光を結合させているのかが不明である。ここではクラッドへの結合が自然な解釈と判断して、この場合に具体的に必要となる長さを推測してみる。また、上記のような理由から、特許文献１におけるシングルモードファイバはダブルクラッドファイバと見なしている。
例えば、コア自体の光の吸収率が５００ｄＢ／ｍとする。しかし、光はファイバ全体に広がっているため、実効的にコアで吸収される光は、コアとファイバ全体の断面積比で小さくなる。一般的にコア直径は１０ｕｍ程度でファイバ外径は１００ｕｍ以上なので、断面積比は最大でも、０．０１となり、実効的な吸収率は最大でも５ｄＢ／ｍとなり、シングルモードファイバ中の９０％の光を吸収するのに最低２ｍ以上必要ということがわかる。この時、マルチモードファイバ１本＋シングルモードファイバ１本の場合、結合効率は７５％になっている。

以上のように、特許文献１の手段を用いて５０％以上のマルチモードファイバの光をシングルモードファイバに結合させようとすると、ｍオーダーの長さが必要となり、一体化が困難であるばかりでなく、使用する上でも不便である。

また、特許文献２，３に開示されているように、空間結合を用いてファイバの側方から光をファイバに結合させる方法では、構造が複雑なばかりでなく、アライメントのずれによっても結合効率が変化するために、温度変化、振動、衝撃など環境条件によって信頼性が著しく変化するという問題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、短い結合距離で、十分な光の結合を、簡単な構造で実現し得るマルチモード光カプラの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、２本の光ファイバの一部を溶融一体化してなる一体化部を有し、一方の光ファイバがマルチモードファイバであり、このマルチモードファイバを伝搬するマルチモード光を他方の光ファイバのガラス中に結合させるマルチモード光カプラにおいて、一体化部の外枠線に複数の変曲点があり、その両端の変曲点の間の領域である変曲点間部の長さが２ｍｍ以下であり、且つ変曲点間部の最大外径が２本の光ファイバの外径の和の５０％〜９０％の範囲内であることを特徴とするマルチモード光カプラを提供する。

本発明のマルチモード光カプラにおいて、一方の光ファイバがマルチモードファイバであり、他方の光ファイバがダブルクラッドファイバであり、マルチモードファイバを伝搬するマルチモード光をダブルクラッドファイバの第１クラッド内に結合させる構成としたことが好ましい。

本発明のマルチモード光カプラは、２本の光ファイバの一部を溶融一体化してなる一体化部を有し、一方のファイバがマルチモードファイバであり、このマルチモードファイバを伝搬するマルチモード光を他方の光ファイバのガラス中に結合させるマルチモード光カプラにおいて、一体化部の外枠線に複数の変曲点があり、その両端の変曲点の間の領域である変曲点間部の長さを２ｍｍ以下とし、且つ変曲点間部の最大外径が２本の光ファイバの外径の和の５０％〜９０％の範囲内としたものなので、簡単な構造でありながら、マルチモードファイバを伝搬するマルチモード光を、ダブルクラッドファイバなどの他方の光ファイバに高い結合効率で結合させることができる。
本発明のマルチモード光カプラは、一体化部の外枠線に複数の変曲点があり、その両端の変曲点の間の領域である変曲点間部の長さが２ｍｍ以下となるように、２本の光ファイバの一部を溶融一体化して作製できるので、一体化が容易であり、また小型化できることで、使用しやすい。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係るマルチモード光カプラの一実施形態を示す図であり、図１（ａ）はマルチモード光カプラ１を平置きした状態の平面図、（ｂ）は（ａ）中の変曲点間部３の断面図、（ｃ）は一体化部２の端部の断面図、（ｄ）は一体化部２を外れた部位の断面図である。図１中、符号１はマルチモード光カプラ、２は一体化部、３は変曲点間部、４Ａ〜４Ｄは変曲点、５は外枠線、Ａ及びＢは光ファイバであり、その一方はマルチモードファイバである。また（ｃ）中のｈ１は２本の光ファイバＡ，Ｂの外径の和、（ｂ）中のｈ２は変曲点間部３の最大外径を表している。

本実施形態のマルチモード光カプラ１は、２本の光ファイバＡ，Ｂの一部を溶融一体化してなる一体化部２を有し、一方の光ファイバＡがマルチモードファイバであり、このマルチモードファイバＡを伝搬するマルチモード光を他方の光ファイバＢのガラス中に結合させるマルチモード光カプラ１において、一体化部２の外枠線５に複数の変曲点があり、その両端の変曲点４Ａ，４Ｂの間の領域である変曲点間部３の長さが２ｍｍ以下であり、且つ変曲点間部３の最大外径が２本の光ファイバの外径の和の５０％〜９０％の範囲内であることを特徴としている。

ここで、「一体化部２」とは、２本の光ファイバＡ，Ｂの一部を溶融一体化した際に、それぞれの光ファイバＡ，Ｂが物理的に接触している部分を言う。
また、「一体化部２の外枠線５」とは、図１（ａ）に示すように、マルチモード光カプラ１を平置きした状態で、一体化部２とその周辺を平面視した際に、マルチモード光カプラ１の外枠として認められるラインのことを言う。

また、「変曲点」とは、一体化部２の外枠線５のうち、関数で表すことができる部分の２次導関数がゼロと交差する点と定義される。
また、「変曲点間部３」とは、一体化部２の外枠線５に複数の変曲点があり、その両端の変曲点４Ａ，４Ｂの間の領域である。

２本の光ファイバを加熱融着・延伸すると、その外枠線５は図１（ａ）に示すように、なだらかなＳ字を描く。この場合、変曲点は、断面積が最小となる場所を中心に、対称に一点ずつ存在する（変曲点４Ａと４Ｂ、又は変曲点４Ｃと４Ｄ）。
一方、特殊なカプラ作製法を用いれば、変曲点の数を増やすことは可能であるが、その場合は、両端の２点（最も離間した２点）間の距離が、本発明での「変曲点間部３の長さ」であると定義する。

次に、作製したマルチモード光カプラ１の変曲点を決定し、変曲点間部３を決定するための手法の一例を説明する。
（１）まず、作製したマルチモード光カプラ１を平置きし、一体化部２周辺を撮影する。
（２）撮影した写真の外枠線を計算機を用いて、離散的な点列に変換する（写真上に任意に直交座標軸及び原点を取り決めてよい）。
（３）この点列の２次微分をとる（これも離散的な点列となる）。
（４）前記（３）で求めた２次導関数の点列がプラス（＋）からマイナス（−）に変化する点を見つけ、これを変曲点とする。
なお、最初に写真から取り込む点列の分解能で求めたい変曲点の位置精度が決まるが、通常は１０００分割程度で十分である。

前記（２）において、計算機としては、各種の画像処理装置を使用することができるが、簡便な手法としては、輪郭抽出ソフトや画像−テキスト変換ソフトをインストールしたパソコンを用いて処理を行う方法が挙げられる。また、取り込んだ外枠線データから２次導関数を計算するには、表計算ソフトを用いて一括して行うことができる。

本発明のマルチモード光カプラにおいて、前記変曲点間部３の長さは２ｍｍ以下であり、且つ変曲点間部３の最大外径ｈ２が２本の光ファイバの外径の和ｈ１の５０％〜９０％の範囲内である。
表１は、マルチモードファイバとダブルクラッドファイバとを用い、変曲点間部長さとその最大外径ｈ２を種々変更してカプラを作製し、作製されたカプラの結合効率を調べた結果である。この場合、２本の光ファイバの外径の和ｈ１は２５０μｍである。

表１の結果から、変曲点間部３の長さが２ｍｍ以下であり、且つ変曲点間部３の最大外径が２本の光ファイバの外径の和ｈ１の５０％〜９０％の範囲内に入っていれば、そのマルチモード光カプラの結合効率は６０％以上となる。
もちろん、この範囲の中で結合効率が最大となる望ましい条件は、さらに限定された範囲に存在する。たとえば、表１に示すように、変曲点間部３の最大外径に応じて、それぞれ最大の結合が得られる変曲点間部３の長さが存在する。表１に示す結果は一例にすぎず、結合効率を最大にする変曲点間部３の最大外径と長さの組み合わせは、マルチモードファイバを伝搬する光の開口数などによって多少の変化はある。
しかし、すべての場合において変曲点間部３の長さは２ｍｍ以下で、かつ変曲点間部３の最大外径は、２本のファイバＡ，Ｂの外径の和の５０〜９０％である必要があった。

本発明のマルチモード光カプラにおいて、２本の光ファイバＡ，Ｂは、少なくとも一方がマルチモードファイバであれば良く、他方の光ファイバＢは特に限定されるものではなく、例えば、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、ダブルクラッドファイバなどを適宜組み合わせて用いることができる。
また、２本の光ファイバＡ，Ｂの外径（樹脂被覆又は樹脂クラッドを有するファイバは、その樹脂を除去し、露出した石英ガラスの外径）は、一般的な１２５μｍにのみ限定されず、各種外径のファイバを用いることができる。さらに、２本の光ファイバＡ，Ｂの外径は、同じであっても、異なっていてもよい。

（実施例１）
図１に示すマルチモード光カプラの作製方法と得られた結果を記す。使用したファイバ１，２は次の通りである。
ファイバ１：樹脂を２ｎｄクラッドとするダブルクラッドファイバ。２ｎｄクラッド径／１ｓｔクラッド径／コア径：２００ｕｍ／１２５ｕｍ／１０ｕｍ。
ファイバ２：樹脂をクラッドとするマルチモードファイバ。クラッド径／コア径：２００ｕｍ／１２５ｕｍ。

これらのファイバの樹脂部分を取り除き（双方のファイバ外径は１２５μｍ、外径の和ｈ１＝２５０μｍ）、その後、２本のファイバを二回転捻り、それぞれのファイバのガラス部分が接触するように並べた。その後、酸水素火炎で加熱し、融着一体化した。その後、わずかに延伸しながらさらに加熱を続け、一体化部の中心部の直径が約１２５ｕｍ、長さが約１．５ｍｍになったところで加熱を停止した。

図２は、加熱によって２本のファイバが融着一体化した一体化部を示す図である。なお、図２は縦と横の倍率が実際のものとは異なっている。
得られた実施例のマルチモード光カプラは、図２に示すように一体化部周辺を平面視した写真を撮影し、前述した変曲点の決定手順（１）〜（４）に従って変曲点４Ａ〜４Ｄを決定した。その結果、図２中、上側の２つの変曲点４Ａ、４Ｂの間の変曲点間部３−（１）の距離は１．５ｍｍであり、また下側の２つの変曲点４Ｃ、４Ｄの間の変曲点間部３−（２）の距離は１．６ｍｍであった。
また、この変曲点間部３−（１）及び３−（２）の最大径は１２５μｍであった。
得られたカプラの結合効率は６３．１％であった。

（比較例）
比較のために、変曲点間部を本発明の範囲よりも長くしたカプラを作製した。
前記実施例１で用いたものと同じ２本のファイバを用い、これらのファイバの樹脂部分を取り除き、その後、２本のファイバを二回転捻り、それぞれのファイバのガラス部分が接触するように並べた。その後、酸水素火炎で加熱し、融着一体化した。その後、わずかに延伸しながらさらに加熱を続け、一体化部の中心部の直径が約１２５ｕｍ、長さが約４ｍｍ程度になったところで加熱を停止した。

得られた比較例のカプラの一体化部を、図３に示す。なお、図３についても実際のものとは縦と横の倍率が異なっている。
得られた比較例のマルチモード光カプラについても、実施例１と同様にして変曲点４Ａ〜４Ｄを決定した。その結果、図３中、上側の２つの変曲点４Ａ、４Ｂの間の変曲点間部３−（１）の距離は３．８ｍｍであり、また下側の２つの変曲点４Ｃ、４Ｄの間の変曲点間部３−（２）の距離は４．２ｍｍであった。
また、この変曲点間部３−（１）及び３−（２）の最大径は１２５μｍであった。
得られたカプラの結合効率は４９．１％であり、実施例１よりも低かった。

（実施例２）
２本のファイバＡ，Ｂを加熱融着・延伸する際、図４に示すように、凸部が形成される条件で延伸したこと以外は、実施例１と同様にし、一体化部の中心部の直径が約１２５ｕｍ、長さが約１．５ｍｍになったところで加熱を停止し、実施例２のマルチモード光カプラを作製した。
作製したカプラの一体化部には、外枠線５（上側の外枠線）に３つの変曲点が存在したが、それらの変曲点のうち、最も外側の２点の変曲点４Ａ，４Ｂの間を変曲点間部３とした。この変曲点間部３の長さは１．５ｍｍであった。この実施例２のカプラについても、実施例１とほぼ同様の結合効率を有していた。

本発明に係るマルチモード光カプラの一実施形態を示す図であり、図１（ａ）はマルチモード光カプラ１を平置きした状態の平面図、（ｂ）は（ａ）中の変曲点間部３の断面図、（ｃ）は一体化部２の端部の断面図、（ｄ）は一体化部２を外れた部位の断面図である。実施例１で作製したマルチモード光カプラの要部平面図である。比較例で作製したマルチモード光カプラの要部平面図である。実施例２で作製したマルチモード光カプラの要部平面図である。

符号の説明

１…マルチモード光カプラ、２…一体化部、３…変曲点間部、４Ａ〜４Ｄ…変曲点、５…外枠線、Ａ，Ｂ…光ファイバ。

Claims

２本の光ファイバの一部を溶融一体化してなる一体化部を有し、一方の光ファイバがマルチモードファイバであり、このマルチモードファイバを伝搬するマルチモード光を他方の光ファイバのガラス中に結合させるマルチモード光カプラにおいて、
一体化部の外枠線に複数の変曲点があり、その両端の変曲点の間の領域である変曲点間部の長さが２ｍｍ以下であり、且つ変曲点間部の最大外径が２本の光ファイバの外径の和の５０％〜９０％の範囲内であることを特徴とするマルチモード光カプラ。
一方の光ファイバがマルチモードファイバであり、他方の光ファイバがダブルクラッドファイバであり、マルチモードファイバを伝搬するマルチモード光をダブルクラッドファイバの第１クラッド内に結合させる構成としたことを特徴とする請求項１に記載のマルチモード光カプラ。