JP6013953B2 - マルチコアファイバ接続用ファンイン・ファンアウトデバイス及び光接続装置、並びに光接続方式 - Google Patents

Description

本発明は、光通信の分野におけるファンイン・ファンアウトデバイス、及び光接続装置、並びに光接続方式に係り、特に、大容量の信号伝送を行うマルチコア光ファイバと光素子との高効率接続に好適な接続構造に関する。

近年、光通信による情報伝送量は年々増加の一途をたどりつつある。特に、幹線系通信システムでは、既存の光ファイバによる情報伝送容量は飽和限界に近づき、この限界を超える各種新たな伝送方法が考案されている。マルチコアファイバを用いた伝送方法は、伝送容量の限界を打破する有力な基盤技術として２０００年以降脚光を浴びている。ここで、マルチコアファイバを光信号の伝送路として使用する場合、マルチコアファイバへの光信号の入力部において、あるいはマルチコアファイバからの光信号の出力部において複数の光伝送路を接続する素子、または接続のための部品が必要である。かかる接続素子や接続部品に関する先行技術としては、以下に記載する公知の文献がある。
特許文献１においては、７つのコアを有するマルチコアファイバ端面同士の接続部に屈折率分布型レンズアレイを挿入して、マルチコアファイバのコアから出射される光の発散角度を小さくする、また対面するマルチコアファイバ端面のコアへの入射光束を集束させる構造としている。

特許文献２においてはマルチコアファイバの端面と単一コア光ファイバを複数本整列配置した構成での各光ファイバ端面とを接続する際の光配列を変換するデバイスが記載されている。

特許文献３においては、マルチコアファイバと単一コアファイバ複数本とを接続する平板素子の構造が記載されている。この平板素子には、２本の光導波路が形成されており、これら光導波路の一端においてマルチコアファイバとの接続が、また、反対側の端部において２本の単一コアファイバとの接続が可能となるようにガイド溝が形成されている。

非特許文献１においては、マルチコアファイバ１本と単一コアファイバ複数本を接続する際に、マルチコアファイバと単一コアファイバとの間に置かれたレンズ２個を光が通過する光路系について記載されている。また、非特許文献２においては、マルチコアファイバ同士を接続する場合に、凸レンズを２つ使用した共焦点レンズ系を使用する方式について記載されている。

非特許文献３においては、平板内へ複数の光導波路を立体的に形成する方法が記述されており、形成された複数の光導波路端面で、７つのコアを有するマルチコアファイバの端面との光接続が可能となるように光導波路の立体的構成が決められている。

また、非特許文献４においては、基板内に光導波路を形成する手法として、レーザ光を絞って基板表面に照射し、レーザ照射部の光学的屈折率を増大させて光導波路を形成する手法が記述されている。

特開２０１０−２８６７１８号公報 特開２０１０−２８６６９７号公報 特開昭６２−１１８３１０号公報

２０１２年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会 エレクトロニクス講演論文集１ Ｃ−３−８２、２０１２年９月１１日−１４日 富山市 ２０１２年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会 エレクトロニクス講演論文集１ Ｃ−３−８３、２０１２年９月１１日−１４日 富山市 ２０１２年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会 エレクトロニクス講演論文集１ Ｂ−１０−１２、２０１２年９月１１日−１４日 富山市 テクニカルダイジェスト 第９回オプトエレクトロニクス アンド コミュニケーションズ コンファレンス、第３回インターナショナル コンファレンス オンオプチカル インターネット、７月１２−１６日、２００４年、横浜、日本、頁８８−８９(Technical Digest Ninth optoelectronics and communications conference, Third international conference on optical internet, July 12-16, 2004, Yokohama, Japan, pp.88-89.)

上記特許文献１に開示された構造では、マルチコアファイバの７つのコアは、互いに等間隔で中心対称に形成されていることを前提としている。しかし、マルチコアファイバの製造工程における寸法バラツキが原因でどれか１つのコアの配置が中心対称の位置からずれて製造された場合には、マルチコアファイバの端面同士を接続する際の接続損失が増大するという課題がある。

上記特許文献２に開示された光配列変換デバイスにおいてもマルチコアファイバのコアのどれか一つが設計上の配置・寸法から位置ずれして製造された場合には、その位置ずれしたコアについては光接続損失が増大するという課題がある。

上記特許文献３に開示された平板素子においても、マルチコアファイバ製造時の製作バラツキによってコア位置が設計からずれて形成された場合には、平板素子内の光導波路とマルチコアファイバのコアとの間で接続損失が増大するという課題がある。

また、非特許文献１および非特許文献２のどちらの場合においてもマルチコアファイバ製造工程における仕上がり寸法バラツキによって、コア位置や配列が設計値からずれた場合には、その位置ずれしたコアに関して、相互に対向する光ファイバの接続損失が増大するという課題がある。

そこで、本発明の目的は、複数の光導波路を同時に並列に接続する際の接続損失を低減し、光信号の信号対雑音比を大きくとることによって信頼性の高い光通信システムを構築できる光接続デバイス及び光接続方式を提供することである。

更に、本発明の構成を適用することにより光出力を抑制した低消費電力の状態で運転できることから、省エネルギー運転が可能なシステムを提供することである。

上記に延べた課題を解決するための手段として、ＦＩ／ＦＯとマルチコアファイバとの接続部に第１のレンズ系、および第２のレンズ系を挿入し、第１のレンズ系においては、ＦＩ／ＦＯの端面側にて、コリメータレンズと凸レンズを設けた構成である。一方、第２のレンズ系においては、マルチコアファイバ端面にコリメータレンズ、および凸レンズを設けた構成とすることである。

さらに本構成の第１のレンズ系においては、凸レンズの焦点距離が、該凸レンズとコリメータレンズ間の距離に等しくなるような配置であり、第２のレンズ系では、凸レンズの焦点距離が該凸レンズとマルチコアファイバ端部のコリメータレンズとの距離に等しくなるような配置とすることである。

ここで、マルチコアファイバ１本と単一コアの光ファイバ複数本とを接続するデバイスをファンイン・ファンアウトデバイス（以下、ファンイン・ファンアウトデバイスをＦＩ／ＦＯと省略する）と呼ぶことにする。ＦＩ／ＦＯはその内部に複数本の光導波路を有する構成であり、マルチコアファイバと接続する側の端面においては、ＦＩ／ＦＯ内の光導波路がマルチコアファイバの光軸方向に垂直な断面におけるコア配置と同じ空間配置をとり、一方、単一コアの光ファイバと接続する端部においては、ＦＩ／ＦＯ内の光導波路の配置と間隔は平面的に横並び、もしくは多層構造となっていて、各光導波路間隔は、例えば、単一コアの光ファイバのクラッド直径に等しい寸法まで詰めることが可能である。

本発明の構成をとることにより、複数の光導波路を同時に並列に接続する際の接続損失を低減し、光信号の信号対雑音比を大きくとることによって信頼性の高い光通信システムを構築できる光接続デバイス及び光接続方式を提供することが可能である。

更に、本発明の構成を適用することにより光出力を抑制した低消費電力の状態で運転できることから、省エネルギー運転が可能なシステムを提供することが可能である。

本発明の実施の形態を示す斜視図。 本発明の実施の形態を示す側面模式図。 本発明の実施の形態を示す側面模式図。 本発明を適用した光接続構成と従来の光接続構成で光軸ずれに対する接続損失の変化を比較したグラフ。 本発明の別の実施の形態を示す模式図。 本発明の別の実施の形態を示す模式図。 本発明の実施の形態１における光導波路およびレンズの形成工程を示す模式図。 本発明の実施の形態１におけるレンズの形成工程を示す模式図。

以下に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

本実施例１を、図１および図２を用いて詳細に説明する。
図１は、マウント１の上に設けたファンイン・ファンアウトデバイス（ＦＩ／ＦＯと略す）２を介して、７つのコアを有するマルチコアファイバ３と単一コアの光ファイバ４を７本配置し接続する構成を示す斜視図である。

マルチコアファイバ３は、例えば、マウント１の表面に設けられたＶ溝に位置合わせされて固定される。また、マルチコアファイバ３とＦＩ／ＦＯ２との間には、後述する第２のレンズ系が配置される。また、第２のレンズ系に対面する側のＦＩ／ＦＯ２には、第１のレンズ系が設けられている。

マルチコアファイバ３のコアの一つに入力した光は、マルチコアファイバ３から出力されると、第２のレンズ系を通過し、第１のレンズ系の当該一つのコアの位置に対応する位置に入射する。入射した光は、当該位置に対応するＦＩ／ＦＯ２中の光導波路を伝播し光ファイバ４へ出力される。マルチコアファイバ３のコアの他の一つに入力した光も、同様な伝播を行う。

マルチコアファイバ３は、中心に１本のコアが、中心コアのまわりに正六角形状に６本のコアが配置されている。マルチコアファイバ３内に配置されている各コア（ここで、コアは光の屈折率が周囲よりも高くなっている部分で伝播光のエネルギー分布のほとんど９０％以上が含まれる部分を指す）の太さは、例えば、波長１．５μｍ帯の単一モード伝送では１０μｍの程度である。また、隣接するコア同士の間隔は、２０μｍから１２５μｍの範囲であり、各隣接コア間での光伝送信号のクロストークは３０ｄＢ以上が確保されている構成である。

図２は、ＦＩ／ＦＯ２とマルチコアファイバ３の接続部分を伝送光の進行方向に垂直な方向（横方向）から見た構造を示す。ＦＩ／ＦＯ２の接続端Ａにて光導波路８、９、１０の各端部が第１のレンズ系としてコリメータレンズ１１、および凸レンズ１２を介してマルチコアファイバ３に面している。

なお、本図では、光導波路８、９、１０を図示しているが、本図の光導波路は正六角形の各頂点および中心部に配列されているために、横方向から見た図は、光導波路８、９、１０のみが見えている。従って、光導波路８、９、１０のそれぞれに重なって奥方向に、光導波路が配列されているので、光導波路８、９、１０を代表にして説明を行っている。後述のマルチコアファイバ３の各コアに関しても同様な扱いをするものとする。

一方、マルチコアファイバ３の端面では、５、６、７の各コアに第２のレンズ系としてコリメータレンズ１３および凸レンズ１４が配置されている。ここで第１のレンズ系では、コリメータレンズ１１と凸レンズ１２の間隔は、凸レンズ１２の焦点距離ｆ_５と等しく、第２のレンズ系においてはコリメータレンズ１３と凸レンズ１４の距離は凸レンズ１４の焦点距離ｆ_３に等しい配置となっている。ここで、凸レンズ１２および１４の直径は、マルチコアファイバ内の隣接コアの間隔以下とする必要があり、２０μｍから１２５μｍの範囲としている。下限値２０μｍは、隣接するコアとのクロストークの制約から決定される。一方、上限値１２５μｍは、光ファイバが並列して配置される最小間隔が１２５μｍと規定されていることから決定される。

また、焦点距離ｆ_５、ｆ_３としては、例えば１００μｍから数ｍｍの範囲で選択可能であるが、実装の容易性と装置外形寸法の小型簡便性を考慮すれば１ｍｍ以上１ｃｍ以下の範囲にあって、数ｍｍ程度であることが望ましい。

図３は、第２のレンズ系を構成する凸レンズ２１、コリメータレンズ２０、マルチコアファイバ２５の端部がフェルール２６内に一体となって収納された構成である。このような構成とすることにより、ＦＩ／ＦＯ３０とマルチコアファイバ２５の接続における実装工程では、レンズ自体の位置調整が不要となり作業時間の大幅な短縮が可能となる。

図４は、ＦＩ／ＦＯとマルチコアファイバの接続において、本発明を適用した場合の接続損失がコア（光導波路）の光軸横ずれ（光の進行方向に垂直な方向の位置ずれ）に対してどのように変化するかを測定したグラフである。本発明を適用した場合には、光導波路の光軸横ずれが０μｍから１０μｍに増加しても接続損失は０．１ｄＢの程度であり、実用上無視できる損失である。ここで、接続損失は、入力光パワーと出力光パワーとの比に比例する量である。

光軸横ずれに対して接続損失を大幅に低減可能とするのは、コリメータレンズ１１、凸レンズ１２、コリメータレンズ１３、凸レンズ１４の構成に因る。すなわち、マルチコアファイバ３から出力される光は、コリメータレンズ１３で平行光となって出力され、凸レンズ１４で平行光を保持しながら、凸レンズ１３を経由してＦＩ／ＦＯ２の入射面に設けられたコリメータレンズ１１に入射する。この時、凸レンズ１４と凸レンズ１３とが所定の範囲でずれてもコリメータレンズ１１に入射光は焦点を結ぶように光学系が設計されている。なお、所定の範囲でのずれとは、図４の測定結果が示すように、少なくとも１０μｍ以内であることが分かる。この程度のずれは、実用上十分な許容範囲である。

ここで、上記コリメータレンズは、光ビームの直進性を保持する作用を有し、構造的にはレンズの内部で屈折率が傾斜した分布型レンズとなっている。また、上記コリメータレンズは、光導波路の一端に内蔵、あるいはその一端に外付けしてもよい。内蔵に関しては、後述する。

一方、レンズを用いない従来の接続構成では、コアの光軸横ずれが０μｍから増加するに従い接続損失が急激に増加し、例えば光軸横ずれ５μｍで接続損失が２ｄＢの程度に増加することがわかる。

ＦＩ／ＦＯを製造する工程概念を図７で説明する。図７で石英基板４０の上側表面に向かって上から波長８０５ｎｍ、光出力が数１０ｍＷから数Ｗのレーザ光４１をフェムト秒程度の単パルス時間幅で繰り返し照射するとレーザ光が焦点を結んだ縦横１μｍ程度の微小部分が局所加熱されて石英の溶融温度に近い１０００℃付近に到達する。この結果、過熱された部位の石英では局所的に屈折率が増大し、加熱を受けない周辺部分の屈折率１．４５５よりも０．００３程度大きい部分が形成される。

石英に照射するレーザ光の焦点位置を調節すると石英の最表面から深さ１００μｍの位置に焦点を合わせることが可能であり、更には横方向にスキャンすることも組み合わせて、石英４０の内部に直線状の光導波路４２や曲がり導波路４３を形成できる。また、石英４０の端面からレーザ光４４を照射し、レーザ光のスキャンの仕方を同軸円筒状にし、石英の端面から深さ方向に向かって焦点位置を変化させると、奥行き方向に光導波路を形成することができる。更にはまた、石英の端面近くにて、レーザ光を同心円状にスキャンすれば凸レンズ４５や、屈折率が中心軸から周囲に向かって同心円状に傾斜減少する屈折率分布型の構造が作製でき、コリメータレンズ４６を形成できる。

図８は、マルチコアファイバ５０の端面に焦点を結び、上述のレーザ光５２をフェムト秒の単パルス時間で繰り返し照射するとコアの一部で同軸状に屈折率が増加し、コリメータレンズ５３を形成できる。

実施例２を、図５および図６を用いて詳細に説明する。
図５（ａ）は、７本の単一コア光ファイバ６２を用いて構成されるＦＩ／ＦＯ６１の斜視図である。ＦＩ／ＦＯ６１は、端部Ａにおいて７つのコアを有するマルチコアファイバとの接続が可能となるように７本の光ファイバが束ねられて融着されたものであり、その端面には平凸レンズ６０が各光ファイバ端面に設けられ、図５（ｂ）に示すようにＦＩ／ＦＯ６１と一体化している。この平凸レンズ６０は、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含むアクリル系樹脂、ビニル系樹脂、エチレン系樹脂等をナノインプリント技術で成型加工して用意しても良く、あるいは合成石英を加工して作製しても良い。ＦＩ／ＦＯの端部Ａに接着するなどして設けられた平凸レンズは各光ファイバ端面からの出射光を平行ビームにして取り出す役目を有する。

図６は、ＦＩ／ＦＯ６１をマルチコアファイバ６５と接続する構成の主要部の断面模式図である。マウント５８上にてＦＩ／ＦＯ６１と７つのコアを有するマルチコアファイバ６５を接続する際に前述の実施例と同様、本発明の構成によりＦＩ／ＦＯ６１側に７個の凸レンズ６４を設ける。また、マルチコアファイバ側にも７個の凸レンズ６７を設ける。ＦＩ／ＦＯ６１と凸レンズ６４はフェルール６３内にて各コアの光軸が一致するように、また平凸レンズ６０と凸レンズ６４との間隔は、凸レンズ６４の焦点距離と等しくなる配置である。一方、凸レンズ６７と平凸レンズ６６との間隔は、凸レンズ６７の焦点距離に等しくなるように配置される。

本発明の構成により、ＦＩ／ＦＯ６１とマルチコアファイバ６５との実装組み立てでは、実質的にフェルール６３とフェルール６８との間隔Ｓ、および光軸に垂直方向の回転角度調整をマウント５８上でＶ溝に沿って調整することで達成される。

なお、本実施例２は、ＦＩ／ＦＯ６１を取り付ける台が不要、または接続部分の取り付け寸法を小さくでき、小型化できる効果がある。

本発明の実施例１および実施例２では、マルチコアファイバのコア数が７の場合について記述したが、コア数は７に限定されるものではなく２以上６以下、もしくは８以上であっても本発明の構成が適用できることは明らかである。

また、本発明が適用される製品は、第１及び第２レンズ系を有するＦＩ／ＦＯデバイス、もしくはＦＩ／ＦＯデバイスにマルチコアファイバと単一コアの光ファイバの余長が取り付けられてもよいものとする。

１,５８…マウント、
２,３０,６１…ファンイン・ファンアウトデバイス（ＦＩ／ＦＯ）、
３,２５,５０,６５…マルチコアファイバ、
４,６２…光ファイバ、
５,６,７,５１…コア、
８,９,１０,４２…光導波路、
１１,１３,２０,２２,４６,５３…コリメータレンズ、
１２,１４,２１,２３,４５,６４,６７…凸レンズ、
２６,６３，６８…フェルール、
４０…石英、
４１,４４,５２…レーザ光、
４３…曲がり導波路、
６０,６６…平凸レンズ。

Claims (8)

1. 両端部から光ビームの入出力が可能な光入出力端部と複数の光導波路とを有し、
   該光入出力端部の一端は、マルチコアファイバに接続可能な第１光入出力端を備え、
   該光入出力端部の他端は、複数の単一コアを有する光ファイバに接続可能な第２光入出力端を備え、
   前記複数の光導波路の各々と光軸を同じくし前記第１光入出力端に設けられた凸レンズと、
   該凸レンズと所定の間隔を保持して前記複数の光導波路の該凸レンズに対向する側に設けられた前記光ビームの直進性を保持する屈折率傾斜分布型レンズとを具備し、
   前記所定の間隔は、前記凸レンズの焦点距離であることを特徴とするファンイン・ファンアウトデバイス。
2. 両端部から光ビームの入出力が可能な光入出力端部と複数の光導波路とを有し、
   該光入出力端部の一端は、マルチコアファイバに接続可能な第１光入出力端を備え、
   該光入出力端部の他端は、複数の単一コアを有する光ファイバに接続可能な第２光入出力端を備え、
   前記複数の光導波路の各々と光軸を同じくし前記第１光入出力端に設けられた第１凸レンズと、
   該第１凸レンズと第１の間隔を保持して前記複数の光導波路の該第１凸レンズに対向する側に設けられた前記光ビームの直進性を保持する第１屈折率傾斜分布型レンズと、
   前記第１凸レンズに対向する前記マルチコアファイバの入出力端に設けられた第２屈折率傾斜分布型レンズと、
   前記第１凸レンズと前記第２屈折率傾斜分布型レンズとの間に、前記第２屈折率傾斜分布型レンズから第２の間隔を保持して設けられた第２凸レンズとを有し、
   前記第１の間隔は、前記第１凸レンズの焦点距離であり、
   前記第２の間隔は、前記第２凸レンズの焦点距離であることを特徴とする光接続装置。
3. 請求項１に記載のファンイン・ファンアウトデバイスと、マルチコアファイバと複数の単一コアを有する光ファイバとが基板上に一体として設けられていることを特徴とする光接続装置。
4. 前記光導波路の各々の間隔が、１２５μｍ以上離隔して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光接続装置。
5. 前記マルチコアファイバの隣接するコア同士の間隔が、２０μｍから１２５μｍの範囲内に中心対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光接続装置。
6. 前記第１屈折率傾斜分布型レンズは内蔵、もしくは外付けされることを特徴とする請求項２に記載の光接続装置。
7. 両端部から光ビームの入出力が可能な光入出力端部と複数の光導波路とを有するファンイン・ファンアウトデバイスの一端にマルチコアファイバを接続し、他端に複数の単一コアを有する光ファイバを接続し、
   前記複数の光導波路一端に前記光ビームの直進性を保持する屈折率傾斜分布型レンズを設け、
   前記複数の光導波路の各々と光軸を同じくする凸レンズを設け、前記屈折率傾斜分布型レンズを該凸レンズの焦点距離に配置したことを特徴とする光接続方式。
8. 前記凸レンズに対向する前記マルチコアファイバの入出力端に設けられた別の屈折率傾斜分布型レンズと、
   前記凸レンズと前記別の屈折率傾斜分布型レンズとの間に、前記別の屈折率傾斜分布型レンズから所定の間隔を保持して設けられた別の凸レンズとを有し、
   前記所定の間隔は、前記別の凸レンズの焦点距離であることを特徴とする請求項７に記載の光接続方式。

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