JP5933165B2 - 光遅延線及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光遅延線に関し、より詳しくは光信号の基底モードが比較的低損失で遅延線に沿って伝播可能な寸法の微小ファイバコイルからなる光遅延線に関する。

本出願は、２００９年２月１９日に出願された米国仮出願第６１／１５３，７２２号、および２００９年３月２日に出願された第６１／１５６，５６５号に基づき、その利益を主張するものであり、ここに引用として組み込まれる。

光遅延線、あるいは緩衝装置は、通信およびコンピュータ利用などの用途における光信号処理のために将来の光回路のキーとなる要素である。従来、光遅延線は一つ以上の光ファイバ部からなり、その場合、ファイバの長さが伝播する信号に導入される遅延を決定していた。例えば、約２０メータ（ｍ）の長さの標準的な光ファイバは光パルスに１００ナノ秒（ｎｓ）の遅延をもたらす。この形式の遅延装置をコンパクトな容器に納めるために、２０ｍのファイバは比較的小さな容器に合うようにコイルにされる。ある意味で、容器の根本的な寸法は光ファイバの曲げ損失によって制限され、それはコイルの半径の減少に伴い増加する。例えば、２０ｍ長のファイバに対して、曲げ損失の影響を最小にするために数立方センチメータの寸法である箱型の容器が必要とされる。光部品を小型化するための弛まぬ努力に対して、これらの寸法は問題となる。

ファイバベースの遅延線とは対照的に、微小球、あるいは微小環型共振器などの集積型光部品が、数十ミクロンから数ミリメータの範囲の部品サイズで同じ程度の遅延量（つまり、数百ナノ秒）をもたらすとして実証されている。導入される遅延量は所望の範囲に収まるが、この微小共振器の遅延の時間／帯域幅についての製品の制約が対応する帯域幅を約１ＭＨｚのパルスだけに限定する（つまり、数１００ｎｓの遅延、およびわずか０．００００１ナノメータ（ｎｍ））。これら微小構造の共振器が商業システム用の現実的な光緩衝装置として考慮されるためにはこの帯域幅はあまりにも小さい。

したがって、既知の微小共振装置よりもより大きな帯域幅を有しながら、しかし損失あるいは信頼性問題を引き起こすことなく従来型のファイバ遅延線よりもより小型である光遅延要素に対する必要性がいまだに残っている。

通信およびコンピュータ利用などの用途において光信号処理のために光回路のキーとなる要素の光遅延線、あるいは緩衝装置のひとつの方式である、光ファイバによる遅延装置は、１００ナノ秒（ｎｓ）の遅延をもたらすために２０ｍのファイバを必要とし、これをコンパクトな容器に納めるには曲げ損失の影響を最小にするために数立方センチメータの箱型の容器が必要であるが、光部品を小型化するためにはこれらの寸法は問題となる。他の方式である微小球、あるいは微小環型共振器などの集積型光部品は、数十ミクロンから数ミリメータの範囲の部品サイズで同じ程度の遅延量（つまり、数百ナノ秒）をもたらすが、この微小共振器の遅延が対応する帯域幅は約１ＭＨｚであり、商業システム用の光緩衝装置としてはあまりにも小さい。したがって、既知の微小共振装置よりもより大きな帯域幅を有しながら、損失あるいは信頼性問題を引き起こすことなく従来型の光ファイバ遅延線よりもより小型である光遅延要素に対する必要性がいまだに残っている。

本発明は光ファイバ（多くの場合、微小ファイバ）のコイルから形成される光遅延線に関し、その場合において、光ファイバの直径は伝播する信号の波長より大きく、かつコイルの半径は、光ファイバの直径を考慮して、コイルの隣り合う巻きの間の結合を最小にすることによって伝播損失を限定するように選択される。

一実施例において、光遅延線は、半径Ｒを有する中心部コア棒に巻かれる半径ｒ（２ｒ＞λ、ここでλは伝播する光信号の波長である）の光ファイバを含む。中心部のコア棒はコイルが形成されれば取り除かれてもよい。ファイバは隣り合う巻きの間に間隔を入れて、あるいは入れずに巻かれて、ファイバの直径と波長との間の寸法の差が一つの巻きに沿って伝播するモードが隣り合う巻きに結合することを抑制する。中心部の棒とコイルとの間の境界面におけるモードの強度は光ファイバの半径が以下の条件を満足する時に最小となることが見出されている。

ここで β＝（２πｎ）／λ、ｎは光ファイバの屈折率、λは伝播する光信号の波長である。

本発明の実施例は、従来の光ファイバ遅延線（広帯域で低損失）の利点を光微小共振器（コンパクトで低損失）の利点とを結びつける装置に関する。同時に、本発明の装置は従来技術による遅延要素の形式の欠点である、光ファイバ遅延線の望ましくない大きなサイズ、あるいは光微小共振器の不必要に狭い帯域幅のいずれをも示さない。典型的な一実施例において、それぞれ約５μｍから約１００μｍの範囲の直径（２ｒ）を有するシリカの微小ファイバが約１００μｍから約１０ｍｍの範囲の直径（２Ｒ）を有する棒に巻きつけられる。ファイバコイル製造の後、巻きつけ処理によって導入される可能性のある歪が熱処理によって緩和される。また、上に述べられたように、望むのであればコイルが形成されてから中心部のコア棒が取り除かれてもよい。

本発明の低損失光ファイバコイル遅延線は、光姿勢制御装置、増幅器、センサ、および類似のものなど多くの用途で使用できる。本発明の要素の比較的小さなサイズで堅牢な特徴は光回路ベースの装置に関連する用途を可能にする。実際、本発明は光信号経路に加える、あるいはそれから切り離すための切替器によって制御されるいろいろな光ファイバコイルを有する整調可能な光遅延線として構成されてよい。

本発明の微小ファイバコイル遅延要素のその他、および更なる特性、および用途が以下の一連の議論の間に、かつ付属する図面の参照によって明らかとなろう。

本発明によって形成される典型的な光ファイバコイル遅延線を示す図である。 本発明による光ファイバコイル遅延線の３組の隣接する巻きＴ−１、Ｔ−２、およびＴ−３の典型的なモードフィールド強度を示す図である。 長さ、および半径方向の座標を有する測地線を用いて表した中心部コア棒の半径Ｒと微小ファイバの半径ｒのと間の関係を示す図表である。 本発明の微小ファイバの実施例についてモードフィールド強度へのコア半径の影響を示し、図４（ａ）は微小ファイバの中心部の近くに配されるモードフィールドを有する従来技術による構成を示し、図４（ｂ）は本発明の実施例を示す。図４（ａ）に示されるものと同じ微小ファイバの半径を用いているが、隣接する巻きへの結合が起こり得る領域からモードフィールド強度をずらすために十分な小さい曲げ半径Ｒを満たしている。 本発明の二つの更なる微小ファイバの実施例に対するｒおよびＲの間の関係を図解する。図５（ａ）の図は値ｒ＝２．５μｍ、Ｒ＝５０μｍに関連し、図５（ｂ）の図は値ｒ＝１２μｍ、Ｒ＝５０００μｍに関連する。 システム構成に接続、あるいは切り離される複数の分離した微小ファイバコイルからなり、整調可能な構成における本発明の光微小ファイバコイルの典型的な利用を図解する。 本発明による整調可能な光微小ファイバコイル遅延線の他の実施例を示し、この実施例においては連続したコイルの別々の部分がシステムに接続、あるいは切り離される。

図１は本発明により形成される典型的な光微小ファイバ遅延線１０を図解する。遅延線１０は中心部のコア棒１４の周囲に巻かれた光微小ファイバ部分１２からなる。本発明の目的に対して、「光微小ファイバ」（以下、「微小ファイバ」と記す）は中心部の「コア」領域とそれを取り巻くクラッド層との間にほとんど、あるいはまったく境目の線がなく、光信号の基底モードを伝播するために使用される約５−１００μｍの範囲の直径を有する光ファイバとして定義される。本発明の目的のためには、微小ファイバ１２の直径は伝播する信号の波長よりも大きいことが必要である。たとえば、波長１５５０ｎｍの通信信号で使われるとき、微小ファイバの直径は約２μｍあるいはそれ以上であることが必要である。明らかなように、異なる波長体系に対しては、微小ファイバの半径について異なる制約が当てはまる。さらに、本発明の遅延装置に微小ファイバのかわりに従来型の光ファイバ（あるいは従来型の光ファイバと同じ寸法のファイバ）を使用することが望ましい場合もあるかもしれない。したがって、最も広範囲には、本発明は損失を最小にするように制御されたファイバの半径ｒ、およびコイルの半径Ｒを有するコイル状の光ファイバ遅延線の形成を目的とするものである。したがって、「微小ファイバ１２」による実施に関する以下の議論は単に例示的なものであると考えられる。

従来型の光遅延要素の場合のように、コイル１０の長さＬが導入される遅延の時間の程度を決定する。実際、所与の直径２Ｒの中心部コア棒に対して、導入される遅延は中心部コア棒１４に巻かれるファイバ１２の巻き数Ｔを増すことによって増加する。異なる直径の中心部コア棒を用いるとき、同一の時間遅延間隔をもたらすために異なる巻き数が用いられるということが理解されるべきである。

コイル１０に沿う伝播損失は、コイルのある巻きに沿って伝播する入射光信号の基底モードが中心部コア棒１４あるいはコイル１０の隣接する巻きと相互作用を起こさないときに最小となる。したがって、コイルの隣接する巻きだけでなく、中心部コア棒とコイルとの間の物理的な接触の影響を限定することにより、巻きの間の光信号の散乱および結合が最小化され、光ファイバコイルに沿う曲げ損失の存在を著しく低減する。本発明によれば、伝播する信号のモードフィールド強度をこれらの問題となる接触点から取り除いた光ファイバ領域に閉じ込めることにより、伝播する光信号の損失が最小化されるということが見出されている。

特に、微小ファイバ１２の半径ｒおよび中心部コア棒１４の半径Ｒとの間の関係を制御することにより、特に、以下の関係が満足されるときに低損失が達成される。

ここで、β＝（２πｎ）／λ、ｎは微小光ファイバ１２の屈折率、λは伝播する光信号の波長である。

図２は、本発明により形成される微小ファイバコイルから選択された三つの隣接する巻きＴ−１、Ｔ−２、およびＴ−３の組に対する典型的なモードフィールド強度を示す。境界面Ａは、それぞれの巻きＴが中心部コア棒に巻かれるときに微小ファイバ１２が中心部コア棒１４に接する部分を規定する。境界面Ｂは巻きＴ−３とＴ−２の間の接触位置を規定し、境界面Ｃは巻きＴ−２とＴ−１の間の接触位置を規定する。図２に明らかに示されるように、上記であらましが述べられたようにｒとＲとの間の関係により、モードフィールド強度は境界面Ａ、Ｂ、およびＣからずらされ、そのかわりにコイル１０のそれぞれの巻きＴの外側周辺部に閉じ込められる。この巻きＴの外側周辺部の強度は、あるとしてもほとんど中心部コア棒１４、あるいは巻きＴのすぐ下、および上の巻き（それぞれ巻きＴ−１、およびＴ＋１とする）と相互作用をしないので、本発明の遅延線について所望の低損失条件が達成される。

この微小ファイバの半径ｒとコイルの半径Ｒとの間の関係は、曲がった光ファイバの基底モードや近くの高次モードが図３に示されるように微小ファイバ表面の外側部分に位置する測地線の近傍を伝播するモードとして観察されるという理解から発展した。この測地線の近くの局部座標は長さ方向の座標ｓ、および横断方向の座標ｘ、およびｙとして示される。既知の短波長スカラ回折理論を用いて、簡単な漸近解が以下のように横方向量子数ｍおよびｎを有する伝播モードについて導かれる。

ここでｒおよびＲは上に規定される光ファイバおよび中心部コア棒の半径、λは動作波長、Ｈ_ｍ（ｘ）はエルミートの多項式、Ａｉ（ｘ）はエアリー関数、ｔ_ｎはエアリー関数（ｔ_０＝２．３３８、ｔ_１＝４．０８８、ｔ_２＝５．５２、．．．）の根、ｎは光ファイバの屈折率、β_ｍｎは以下の式で与えられるようにモード（ｍ，ｎ）の伝播定数である。

目下の議論のために、コイルは均一な要素で作られると仮定される、つまり、半径ｒおよびＲは一定であるということである。したがって、ｒおよびＲの両方とも長さ方向の座標、ｓに依存しない。しかし、発明の範囲はそのようには限定されず、解は一様でないファイバの半径ｒ（・）、一様でないコイルの半径Ｒ（・）のいずれか、あるいは二つの組合せを有する光ファイバコイルに対して得ることが出来る。ｍ、ｎ〜１である基底モードの伝播に対して、伝播信号は測地線ｓの近くで強い局部化を示し、ｒおよびＲの間の関係は上に示されるようになる。実際、光通信システム用途、例えばｎ＝１．５、λ＝１．５μｍである、遅延を利用する位相ダイバーシティシステムについて、ｒおよびＲ（ミクロン）の間の関係は次式によって近似される。

境界面からモード強度をずらすために要求されるこのｒ、およびＲの間の関係が具体的に図４に図解され、それは微小ファイバコイルの一「巻き」の代表的な部分を図解している。図４（ａ）はｒおよびＲが要求される関係を満たさない場合を示し、図４（ｂ）は同じ微小ファイバの半径ｒを有するが、要求される関係を満たすコイル半径Ｒを用いる構成を示す。特に、図４（ａ）は半径ｒ＝５．５μｍで、半径Ｒ＝５０００μｍである（図示しない）中心部コア棒の周囲に巻かれる微小ファイバ１２の部分を図解している。式（１）の関係を用いて、ｒおよび表現（Ｒ／β^２）^１／３は比較的等しい値（後者の計算値は、ｎ＝１．５、λ＝１．５μｍに対して約５．５５６７）であって、同水準の大きさを示し、かつ式（１）の不等式が満足されないということが示される。結果として、伝播する基底モードはモードフィールド強度が図示のようにファイバの直径を横切って一様に分布した状態でファイバの中心点Ｃに留まり、したがって信号がコイルを伝播する時に高い損失を生じる。

対照的に、図４（ｂ）の構成は図４（ａ）に示されるように半径５．５μｍの同じ微小ファイバを用いる本発明の実施例を図解する。ここで、モードフィールド強度はより小さな曲げ半径、この場合Ｒ＝５００μｍを用いることにより、明らかにファイバの中心部から微小ファイバの外側周辺領域へとずれているとして示される。上に議論されるように、モードフィールドのピーク強度のずれは（もしあるならば）中心部コア棒への接触／結合だけでなく、一つの巻きから隣接する巻きへの信号の接触／結合を制限する。本発明により、微小ファイバコイルは（従来型のファイバと比較して）割合小さいが、モードフィールドを微小ファイバの外側部分に閉じ込めることにより所望する低損失の品質を保持する遅延線として利用される。

図５（ａ）および（ｂ）は本発明により形成される低損失の微小ファイバの典型的な構成を図解する。それぞれの場合に、モードフィールドのピーク強度は微小ファイバの中心部領域からずらされている。図５（ａ）は微小ファイバの半径ｒが２．５μｍ、コイルの半径Ｒが５０μｍである構成を示す。図５（ｂ）は微小ファイバの半径ｒ＝１２μｍ、コイルの半径Ｒ＝５０００μｍである構成を示す。それぞれの場合に、モードフィールドが巻きの外側の周辺部分に位置する測地線に閉じ込められていることが明らかに示される。

上に述べられるように、本発明の微小ファイバコイル遅延線の寸法が小さく、コンパクトであることは、それが光ジャイロスコープ、センサー、増幅器、その他類似のものなどいろいろな用途に使われることを可能にする。実際、本発明の遅延線の寸法が小さいことは、例えば光バッファのような光遅延線を利用するいろいろな形式の集積型光システム、およびサブシステムへの内蔵を可能にする。さらに、本発明の構成は整調が可能な遅延線の形態を取ってもよく、その場合、ファイバの遅延線の全長を調整するために、遅延の時間周期は微小ファイバコイルの異なる部分をスイッチで切り替えて構成に接続、あるいは切り離すことにより制御される。

図６は典型的な整調可能な構成における本発明の光ファイバコイルの利用を図解する。この構成において、複数の分離された全長が異なる光ファイバコイル１０−１、１０−２、１０−３，１０−４、および１０−５が典型的な光集積回路３０に一つ一つ結合される。別々のコイルのどれを回路３０内に形成される遅延線に結合するかを制御するために（図示しない）回路３０内の１組の切替器が使われる。図７は整調可能な光ファイバコイルの別の構成を図解し、この場合は単一のコイル１０を用いる。この構成においては、１０_ａ、１０_ｂ、１０_ｃ、１０_ｄ、および１０_ｅとして示されるコイル１０の別々の部分が、遅延線の全長の決定に使われる関連した切替信号によって制御される。コイル１０の特定部分が“オフ”にされると、図７の切替構成は伝播する光信号をコイル１０の特定の部分をバイパスする導波路方向に向け、使用されるべき次の部分に信号を結合する。図７の特定の構成においては、それぞれの部分１０_ｉは伝播する光信号に２５ｎｓの遅延をもたらす。この特定の構成においては、１０_ａ、１０_ｂ、および１０_ｃ部分が遅延構造に使用され、１０_ｄ、および１０_ｅ部分はバイパスされるように切替器が構成される。この場合、全遅延７５ｎｓが生成される。コイル１０のそれぞれの部分の接続を動的に制御できることは調整可能な遅延を比較的容易に形成することを可能にする。

特定の遅延時間を有する整調可能な光遅延線の寸法は以下のように定義される。典型的な微小ファイバコイルによって占められる体積Ｖは以下の関係から決定される。

コイルの遅延時間ｔはコイルの長さに比例し、以下の式から計算される。

ここでｎは光ファイバの屈折率、Ｌはコイルの全長、Ｒはコイルの半径、ｒは光ファイバの半径、ｃは真空中での光の速度である。上に述べられたように、１．５μｍの波長λ、ｎの値１．５についてｒとＲとの間の関係は（ミクロンで計算するとき）ｒ≧０．７Ｒ^１／３の形を取ることが出来、体積Ｖを以下のように表すことが出来る。

コイルの体積、あるいは連結されたコイルの組の体積は光ファイバの半径ｒを減少させると急速に減少するということが、この関係から明らかである。しかし、半径ｒがどれだけ小さくなるかについては実際的な限界がある。図５から明らかなように、比較的小さな半径（例えば２．５μｍ以下）では、モードフィールド強度はファイバの他の部分への物理的な接触が避けられなくなる部分へ入り始め、したがって伝播する信号のパワー損失を増大させる。コイルの半径をｒ＝２．５μｍと仮定すると、その結果コイルの体積Ｖはその値が０．４Ｔに近くなり、ここで体積、および時間はそれぞれ立方ｍｍ、およびナノ秒で測定される。したがって、全遅延時間１００ｎｓを与える複数の微小ファイバからなる本発明の実施例は１ｍｍ×７ｍｍ×７ｍｍ、あるいは４９ｍｍ^３の寸法の箱に収められる。

光ファイバの半径ｒ、およびコイルの半径Ｒの一方、あるいはその両方が一様でない場合、ｒ（・）の関数としてＲ（・）を決定する基準は式（１）の解析から導かれる。具体的には、この関係はｒ（・）のすべての値に対して以下のように表される。

本発明は具体的な実施例の参照によって具体的に記述され、示されたが、形式、および詳細においていろいろな変形が、ここに付属される請求の範囲によって規定される本発明の精神、および範囲から逸脱することなくなされてよいことが、当業者には理解されるべきである。

１０ コイル
１２ 微小ファイバ
１４ 中心部コア棒
３０ 光集積回路

Claims (8)

1. 伝播する光信号の波長λよりも大きい直径２ｒを有する光微小ファイバを含む光遅延線であって、
   前記光微小ファイバが、予め決定される時間遅延ｔに関わる長さＬのコイルに巻かれ、前記コイルが、
   

   

   の関係を満足するように選択された曲率半径Ｒを示し、ここでβ＝（２πｎ）／λ、ｎは前記光微小ファイバの屈折率であり、そして、ｒとＲとの間の関係により、伝播する光モードを前記光微小ファイバの外側周辺領域に閉じ込めて、前記コイルの１つの巻きに沿って伝播するモードが隣り合う巻きに結合することを抑制し、伝播損失を限定する光遅延線。
2. 生成される光微小ファイバコイルの長さＬが、
   

   

   の関係を満足する予め決められた時間遅延ｔを与えるように選択され、ここでｃが真空中の光の速度である、請求項１に記載の光遅延線。
3. 前記遅延線がさらに、
   半径Ｒの中心部コア棒を含み、前記中心部コア棒に前記光微小ファイバが巻きつけられる、請求項１に記載の光遅延線。
4. 前記ｎが１．５、前記λが１．５μｍ、および前記ｒが約０．７Ｒ^１／３である、請求項１に記載の光遅延線。
5. 前記光微小ファイバが均一でない半径を有する、請求項１に記載の光遅延線。
6. 前記中心部コア棒が均一でない半径を有する、請求項３に記載の光遅延線。
7. 伝播する光信号の波長λよりも大きい直径２ｒを有する複数の光微小ファイバを含む光遅延線であって、
   各光微小ファイバが、予め決定された時間遅延ｔに関わる長さＬのコイルに巻かれており、各コイルが、
   

   

   の関係を満足するように選択される曲率半径Ｒを示し、ここでβ＝（２πｎ）／λ、ｎは各光微小ファイバの屈折率であり、そして、ｒとＲとの間の関係により、伝播する光モードを各光微小ファイバの中心部から離れた周辺領域に閉じ込める、光遅延線。
8. 予め決められた時間遅延ｔを示す光遅延線の製造方法であって、
   ａ）伝播する光信号の波長λよりも大きい半径ｒを有する光微小ファイバを用意する工程と、
   ｂ）
   

   

   の関係を満足する半径Ｒのコア棒を選択する工程であって、β＝（２πｎ）／λ、ｎは前記光微小ファイバの屈折率である工程と、
   ｃ）前記光微小ファイバを前記コア棒の周囲に巻きつけて、前記時間遅延ｔを生じさせるのに十分な複数のＮ巻きを生成する工程とを有する、光遅延線の製造方法。

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