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JP7501651B2 - 光側方入出力回路及び光コネクタ - Google Patents

光側方入出力回路及び光コネクタ Download PDF

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Description

本開示は、光ファイバの側面から光を入出力する光側方入出力回路及びそれを備える光コネクタに関する。
光分岐技術としてアレイ導波路グレーティングを用いた波長多重カプラ等が知られている。また、光センシングや伝送路のモニタリングの実現のため、ファイバ内にレーザ加工により光導波路を形成し、コアから光の一部パワーを出力させるタップ導波路による光側方出力技術が提案されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
Ｐｅｎｇ Ｊｉ ｅｔ ａｌ， ｏｐｔｉｃｓ ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．２６， ｎｏ．１２， ｐ１４９７２－１４９８１， （２０１８） Ｙ． Ｓｈａｎｉ ｅｔ ａｌ， "Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃ Ａｄｉａｂａｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ，" ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ｖｏｌ． ２７， ｎｏ． ３， ｐｐ． ５５６－５６６， １９９１． 光導波路の基礎、岡本勝就（コロナ社、１９９２年） Ａ． Ｕｒｕｓｈｉｂａｒａ ｅｔ ａｌ， "Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｌｏｎｇ－ｐｅｒｉｏｄ ｇｒａｔｉｎｇ，" ＯＦＣ２０１７， Ｔｕ２Ｊ．６， ２０１７． Ｂ． Ｙ． Ｋｉｍ ｅｔ ａｔ， "Ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｅｒ，" Ｏｐｔｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． １１， ｎｏ． ６， ｐｐ３８９－３９１， １９８６
公知の波長多重カプラは、サイズが大きいこと、及び接続点における反射や損失が増大することから、伝送路内に多点に配置することが困難という課題があった。また、従来のタップ導波路は、伝送路内に多点に配置することが容易であるが、波長選択性を向上させることが困難という課題がった。
そこで、本発明は、前記課題を解決するために、波長選択性を持ち、且つ伝送路内に多点に配置することが容易である光側方入出力回路及び光コネクタを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る光側方入出力回路は、波長選択性を持つタップ導波路を備えることとした。
具体的には、本発明に係る光側方入出力回路は、
光ファイバのコアを伝搬する光の内、高次モードの光を前記光ファイバの側面から出力するタップ導波路が形成されたタップ部と、
前記光の伝搬方向において前記タップ部の前段にあり、前記光ファイバの前記コアに所望の波長の光を基本モードから前記高次モードへ変換するグレーティングが形成されたグレーティング部と、
を備える。
また、本発明に係る光コネクタは、前記光側方入出力回路を備える。
本光側方入出力回路は、タップ導波路に波長選択性を持たせるために長周期ファイバグレーティングを形成している。本光側方入出力回路は、タップ導波路であるから伝送路内に多点に配置することが容易である。そして、本光側方入出力回路は、長周期ファイバグレーティングで所望の波長の光を入出力できる。従って、本発明は、波長選択性を持ち、且つ伝送路内に多点に配置することが容易である光側方入出力回路及び光コネクタを提供することができる。
本発明に係る光側方入出力回路の前記グレーティング部は、前記所望の波長において規格化周波数Ｖが２．４以上であり、
前記タップ部は、
ｄｔ／ｄｃ≧０．２４Ｖ－０．２７、
０．３３≦ｄｔ／ｄｃ≦０．８７、
０．２８Ｖ－０．３５≦δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）
≦０．０３Ｖ＋１．２８、
かつ、α≦－０．５８Ｖ２＋２．６５Ｖ－１．４８
を満たすことを特徴とする。
ただし、ｄｔは前記タップ導波路の直径、ｄｃは前記光ファイバの前記コアの直径、δｎは前記タップ導波路の前記光ファイバに対する屈折率変化量、ｎｃｏｒｅとｎｃｌａｄはそれぞれ前記光ファイバの前記コアの屈折率とクラッドの屈折率、αは前記光ファイバの前記コアと前記タップ導波路とが成す角度（°）である。
本発明に係る光側方入出力回路の前記グレーティング部のコアの屈折率は、前記タップ部のコアの屈折率より高いことを特徴とする。グレーティング部で高次モードを励振させておくことでタップ部で高次モードが伝搬しない場合であっても所望の波長の光をタッピングできる。
本発明に係る光側方入出力回路は、前記光ファイバに、前記タップ部と前記グレーティング部との組が連続して複数配置されていることを特徴とする。また、本発明に係る光側方入出力回路は、前記光ファイバの側面に配置され、前記タップ部が出力する光を受光する受光器をさらに備えることを特徴とする。伝送路の複数箇所でタッピングができ、伝送路経路の制御や多段の光給電を実現できる。
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
本発明は、波長選択性を持ち、且つ伝送路内に多点に配置することが容易である光側方入出力回路及び光コネクタを提供することができる。
本発明に係る光側方入出力回路を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路の特性を説明する図である。 グレーティング形成方法を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路を説明する図である。 本発明に係る光側方入出力回路を説明する図である。 本発明に係る光コネクタを説明する図である。 本発明に係る光コネクタを説明する図である。
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（実施形態１）
図１は、本実施形態の光側方入出力回路３０１を説明する図である。光側方入出力回路３０１は、
光ファイバ５０のコア５１を伝搬する光の内、高次モードの光を光ファイバ５０の側面から出力するタップ導波路５３が形成されたタップ部１０と、
前記光の伝搬方向においてタップ部１０の前段にあり、光ファイバ５０のコア５１に所望の波長の光を基本モードから前記高次モードへ変換するグレーティング２１が形成されたグレーティング部２０と、
を備える。
光ファイバ５０は、コア５１の直径ｄｃ、光ファイバ５０の直径ｄｆ、コア５１の屈折率ｎｃｏｒｅ（グレーティングを含まない部分の屈折率）、クラッド５２の屈折率ｎｃｌａｄで定義されるステップインデックスファイバである。光ファイバ５０は、長手方向に、グレーティング部２０およびタップ部１０が順に形成されている。タップ導波路５３へ光が入射できる方向を光導波方向とする。図１では、光導波方向は左から右への方向である。また、タップ導波路５３がコア５１から光ファイバ５０の側面へ向いている方向をタップ方向とする。図１では、タップ方向は、光導波方向に対して順方向に傾いた方向である。
グレーティング部２０は、光ファイバ５０のコア５１を伝搬する光のうち、取り出したい波長の光のみを長周期グレーティングによってＬＰ１１モードに変換する。グレーティング構造は、例えばフェムト秒レーザ加工、ＣＯ２レーザ加工、またはグレーティングの押し当てによって実現することができる。
タップ部１０は、コア５１の中心から角度αで光ファイバ５０の側面（クラッド５２の界面）に向けて伸びるタップ導波路５３を有している。タップ部１０は、タップ導波路５３とコア５１との角度α、タップ導波路５３の直径ｄｔ、及びタップ導波路５３の屈折率を制御することで、コア５１からＬＰ１１モードのみを選択的に取り出す。
ここで、コア５１からタップ導波路５３へ結合する光をタップ光、コア５１をそのまま伝搬する光を透過光と定義する。例えば、タップ部１０の出力端（光ファイバ５０の側面）に受光素子を接続することで、光ファイバ５０からタップ光のみを取り出し受光することができる。
タップ部１０において、コア５１からタップ導波路５３への結合効率は、コア５１を伝搬する光の伝搬モードに強く依存する。これは、高次モードになるほど閉じ込めが小さくなり、タップ導波路５３へ結合しやすくなるためである。このため、高次モードのみをタップ導波路へ遷移させることができる。
ここで、高次モードのみをタップ導波路５３へ結合させるためには、タップ導波路５３の屈折率と直径ｄｔの値が重要である。これらの値が大きすぎると、タップ導波路５３のＮＡが大きくなり、ＬＰ０１モードも結合しやすくなるため、透過光の損失が増加することになる。一方、これらの値が小さすぎると、タップ導波路５３のＮＡが小さくなり、高次モードが結合し難くなるため、タップ光のタップ導波路５３への結合効率が低下することになる。つまり、タップ導波路５３の屈折率と直径ｄｔの値を適切に決定する必要がある。
また、高次モードの光を高効率にタップ導波路５３へ結合させ、基本モードの光をコア５１に閉じ込めたまま伝搬させるためには、αを十分小さくし、断熱的にモードを遷移させていく必要がある（例えば、非特許文献２を参照。）。αが大きいと、ＬＰ０１モードもタップ導波路５１の影響を受けて放射モードに結合し、損失が発生する。このため、ＬＰ０１モードの損失の観点からαの上限値が決定される。一方、αは０より大きい任意の値をとることができるが、αによってタップ部１０の全長Ｌｔａｐが次式で決定されるため、タップ導波路５３の伝搬損失やデバイスの全長に対する要求条件の観点からαの下限値が決定される。
Figure 0007501651000001
 数式（１）ではαの単位はｒａｄｉａｎである。
一般的なシングルモードファイバでは光ファイバ５０の直径ｄｆは１２５μｍであり、例えば、タップ部Ｌｔａｐを５ｃｍ以下にするためには、αは０．０７°以上に設定する必要がある。
グレーティング部２０は、ピッチΛのグレーティング２１を有する。例えば、グレーティング２１は、長周期ファイバグレーティング（ＬＰＧ）である。グレーティング部２０で任意の波長λのみをＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへ変換するためには、次式を満たすようにピッチΛを設定する。
［数２］
Λ＝λ／（ｎｅｆｆ１－ｎｅｆｆ２）
ここで、コア５１を伝搬する基本モード（ＬＰ０１）の実効屈折率をｎｅｆｆ１、高次モード（ＬＰ１１）の実効屈折率をｎｅｆｆ２、真空中の波長をλとしている。なお、実効屈折率とは、グレーティングを含まない状態での実効屈折率を意味する。
図２は、基本モードの実効屈折率ｎｅｆｆ１、高次モード（ＬＰ１１）の実効屈折率ｎｅｆｆ２、グレーティングピッチΛ、及び波長λの関係を説明する図である。図２の横軸は波長λ、第１縦軸は実効屈折率、第２縦軸はグレーティングピッチΛである。光ファイバは一般的なシングルモードファイバと同等となるよう、コア半径４．１μｍ、コアの比屈折率差Δｃｏｒｅ＝０．３５％のステップ型屈折率分布として計算している。なお、コアの比屈折率差Δｃｏｒｅは次式で定義される。
Figure 0007501651000002
 一点鎖線は波長λに対するＬＰ０１モードの実効屈折率ｎｅｆｆ１、点線は波長λに対するＬＰ１１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ２、実線はクラッドの屈折率（全波長において１．４４４）、破線は波長λに対するＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへ変換するグレーティングピッチΛを示している。
また、グレーティング部１０は、ＬＰ１１モードを伝搬できる構造である必要がある。例えば、図２で説明した構造は、波長１．３μｍ以上の領域ではＬＰ１１モードが存在しないため、波長１．３μｍ以上の光をタップ光として取り出すことができない。高次モードの伝搬条件は、次式の規格化周波数Ｖ値を用いてＶ＞２．４と定義される（例えば、非特許文献３を参照。）。
Figure 0007501651000003
 つまり、タップ光として出力させたい光の波長において数式（４）が２．４以上となるようにコア直径ｄｃ（数式（４）ではｄｃｏｒｅで表示している）、コアの屈折率ｎｃｏｒｅ、及びコアの比屈折率差Δｃｏｒｅを設定する必要がある。
図３は、波長１．１μｍにおけるグレーティング長Ｌｇとモード間の結合量の関係を説明する図である。ここで、結合量とは、ＬＰ０１モードをグレーティング部２０に入射したときにグレーティング部２０から出力されるそれぞれのモードのパワーを入射光のパワーで規格化したものである。グレーティングピッチΛは、図２の破線から波長１．１μｍにおいて求められる４３５μｍとしている。
グレーティング長Ｌｇを変化させることでそれぞれの結合量が変化している。つまり、タップ導波路５３へ取り出したいパワーに合わせてグレーティング部２０のグレーティング長Ｌｇを調整することでＬＰ１１モードへの変換効率を制御することができる。
図４は、タップ部１０の構造と特性を説明する図である。図４（ａ）は、タップ部１０の構造を説明する図である。コア５１に角度αを持ってタップ導波路５３が形成されている。コア５１の屈折率はｎｃｏｒｅ、クラッド５２の屈折率はｎｃｌａｄである。タップ導波路５３は、非特許文献１にあるようにフェムト秒レーザ加工技術によって光ファイバ５０内に作成することができる。このとき、フェムト秒レーザによるコア５１とクラッド５２の屈折率の変調量（レーザによって変化した屈折率差）をそれぞれδｎｃｏｒｅとδｎｃｌａｄと定義する。従って、タップ導波路５３の屈折率は、コア５１と重なっている部分がｎｃｏｒｅ＋δｎｃｏｒｅ、クラッド５２と重なっている部分がｎｃｌａｄ＋δｎｃｌａｄとなる。
図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、図４（ａ）の矢印の方向からタップ部１０に光を入射したときの電界分布を説明する図である。図４（ｂ）はＬＰ０１モードで光を入射、図４（ｃ）はＬＰ１１モードで光を入射したときの図である。なお、波長１２８０ｎｍ、ｄｃ＝８．２ｕｍ、Δｃｏｒｅ＝０．３５％、α＝０．１°、ｄｔ＝５μｍとして計算している。また、一般的なシングルモードファイバのＧｅ添加量は数ｍｏｌ％と微量であるため、材料依存によるフェムト秒レーザによるコア５１とクラッド５２の屈折率の変調量の差は十分小さいと考えられる。これよりδｎｃｏｒｅとδｎｃｌａｄはほぼ同等であるとみなすことができ、δｎｃｏｒｅ＝δｎｃｌａｄ＝δｎ＝０．００５とした。これ以降、δｎｃｏｒｅとδｎｃｌａｄをδｎと記載する。
図４（ｂ）のように、ＬＰ０１モードの光は、タップ導波路５３に結合せず、コア５１を伝搬し続ける。一方、図４（ｃ）のように、ＬＰ１１モードの光は、タップ導波路５３に結合し、コア５１には伝搬しない。このように、適切にタップ導波路５３を設計することでＬＰ１１モードの光のみを選択的にタップ導波路５３に結合し、取り出すことができる。
光側方入出力回路３０１としては、透過光がタップ部１０で受ける損失が低いことが望ましい。光側方入出力回路３０１を多段に接続することを考慮すると、１つの光側方入出力回路３０１あたりの損失を０．５ｄＢ以下に抑えることが望ましい。図５は、タップ部１０にＬＰ０１モードの光を入射したときのタップ部１０で受ける透過光の損失（タップ部１０の挿入損失）のα依存性を説明する図である。実線、点線、一点鎖線は、それぞれタップ導波路の直径ｄｔとコア直径ｄｃとの比が０．８６、０．７３、０．３７の場合のデータである。また、そのほかのパラメータは、屈折率変調量δｎ＝０．００５、屈折率変調量とコアとクラッドの屈折率差の比δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＝０．９８、波長１２８０ｎｍ、ｄｃ＝８．２μｍ、ｄｔ＝５μｍ、Δｃｏｒｅ＝０．３５％とした。
タップ部１０の挿入損失はαに比例して単調増加している。例えば、挿入損失を０．５ｄＢ以下に抑えるためには、ｄｔ／ｄｃ＝０．３７、０．７４、０．８６のそれぞれにおいて、αを０．８°、０．５５°、０．３５°以下とすればよい。
一方で、光側方入出力回路３０１としては、ＬＰ１１モードの光がなるべくタップ導波路５３へ結合することが望ましい。ＬＰ１１モードの光を取り出し受光するためには５０％以上の結合効率が望ましい。図６は、タップ部１０にＬＰ１１モードの光を入射したときのタップ導波路５３への結合効率のα依存性を説明する図である。各線の意味と各パラメータは図５のそれらと同じである。
タップ部１０での結合効率はαに比例して単調減少している。例えば、結合効率を５０％以上得るためには、ｄｔ／ｄｃ＝０．３７、０．７４、０．８６のそれぞれにおいて、αを０．２５°、０．６°、０．２３°以下とすればよい。
図７は、コア構造に対する挿入損失と結合効率との関係を説明する図である。α＝０．１とした場合にＶ値が一定となるように、ｎｃｏｒｅ、ｄｃ及び波長を変化させている。本例では、α＝０．１°、δｎ＝０．００５、δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＝０．９８、ｄｔ＝５μｍとした。
図７（ａ）と図７（ｂ）は、ｄｃ＝８．２μｍとしてΔｃｏｒｅを変化させたときの、ＬＰ０１モードに対する挿入損失とＬＰ１１モードのタップ導波路５３への結合効率を説明する図である。図７（ｃ）と図７（ｄ）は、Δｃｏｒｅ＝０．３５％としてｄｃを変化させたときの、ＬＰ０１モードに対する挿入損失とＬＰ１１モードのタップ導波路５３への結合効率を説明する図である。それぞれＶ値がＶ＝２．４４に固定されるように、波長を調節している。ｄｔ／ｄｃ＝０．９８ではＬＰ０１モードの損失のΔｃｏｒｅ依存性が大きい（図７（ａ）の実線を参照）が、それ以外の構造では、コア構造に対する依存性が小さいことが確認できる。
図８は、Ｖ＝２．４４、α＝０．１°、δｎ＝０．００５、δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＝０．９８、波長１２８０ｎｍ、ｄｃ＝８．２μｍ、Δｃｏｒｅ＝０．３５％としたときの、ＬＰ１１モードの結合効率のｄｔ／ｄｃ依存性を説明する図である。図８より、０．３３≦ｄｔ／ｄｃ≦０．８７の領域において結合効率が５０％以上となることがわかる。
図７と図８より０．３３≦ｄｔ／ｄｃ≦０．８７の領域では結合効率が５０％以上となり、Ｖ値が一定であればコア構造に対する依存性も小さいと考えられるため、以降の説明はＶ値を用いて、０．３３≦ｄｔ／ｄｃ≦０．８７の領域内で計算を行う。これ以降、コア構造はｄｃ＝８．２μｍ、Δｃｏｒｅ＝０．３５％とし、波長を変化させることでＶ値を一定とする。ただし、０．３３≦ｄｔ／ｄｃ≦０．８７の領域内であればコア構造が変化してもＶ値が同等であれば同等の特性が得られる。
図９は、ＬＰ０１モードの挿入損失が０．５ｄＢ以下となるαの範囲を説明する図である。図９は、δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）、Ｖ、ｄｔ／ｄｃを変化させ、図５のようにＬＰ０１モードの挿入損失を０．５ｄＢ以下に抑えられるαの最大値を求めている。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれＶ＝２．４、３．１、３．９の場合のαの最大値を示す。図９において、黒色の濃いほどαを小さくする必要がある。前述の通り、タップ部１０はＬＰ１１モードが伝搬する構造である必要があるため、ＬＰ１１モードが伝搬する最小のＶ値Ｖ＝２．４以上が設計領域となる。また、本発明においては前述の通り、取り出すタップ光の結合効率が高いことが望ましい。
図１０は、図９で求めたαの領域（αの最大値以下）で得られる結合効率（ＬＰ０１モードの挿入損失が０．５ｄＢ以下であるときのＬＰ１１モードのタップ導波路への結合効率）の最大値の範囲を説明する図である。なお、αの最小値は０．１とした。図１０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれＶ＝２．４、Ｖ＝３．１、Ｖ＝３．９のデータである。例えば、図１０（ｂ）のＶ＝３．１では、
δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＜０．４、
δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＞１．４、及び
ｄｔ／ｄｃ＜０．４５
の領域では結合効率が０．５以上となる領域が存在せず、十分なタップ光を得られないことがわかる。
同様に、図１０（ｃ）のＶ＝３．９では、
δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＜０．８、
δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＞１．４、及び
ｄｔ／ｄｃ＜０．６８
の領域では結合効率が０．５以上となる領域が存在せず、十分なタップ光を得られないことがわかる。
少なくとも、結合効率が０．５以上となることがない領域（結合効率が０．５未満の領域）を除く領域（結合効率が０．５以上となる可能性がある領域；当該領域では必ず結合効率が０．５以上となるわけではない。）にはいるようにδｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）、ｄｔ／ｄｃを設定する必要がある。図１１は、Ｖ値を変化させて求めた結合効率が０．５以上となる領域を説明する図である。図１１（ａ）の数式（実線）はｄｔ／ｄｃのＶ値依存性であり、当該実線の上の領域が結合効率が０．５以上となる可能性のある領域である。図１１（ｂ）の２数式（破線と実線）はδｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）のＶ値依存性であり、２直線に挟まれる領域が結合効率が０．５以上となる可能性のある領域である。なお、図７でのコア構造依存性の説明の通り、０．３３≦ｄｔ／ｄｃ≦０．８７の範囲内で示している。
以上より、ＬＰ０１モードの挿入損失を抑え、ＬＰ１１モードの結合効率を５０％以上得るためには、少なくとも、下記式を満たすようにδｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）とｄｔ／ｄｃを設定する必要がある。
［数５］
ｄｔ／ｄｃ≧０．２４Ｖ－０．２７、
０．３３≦ｄｔ／ｄｃ≦０．８７、
０．２８Ｖ－０．３５≦δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）
≦０．０３Ｖ＋１．２８、
また、図９と図１０を比較することで上記領域内におけるαの最大値を求める。図９と図１０において、結合効率が０．５以上となる領域内におけるαの最大値は１．５であり、少なくともαが１．５以上の領域ではタップ光を０．５以上取り出せない。図１２は、許容できるαの最大値のＶ値依存性を説明する図である。図１２より、次式を満たすようにαを設定する必要がある。
［数６］
α≦－０．５８Ｖ２＋２．６５Ｖ－１．４８
図１３（ａ）はタップ部１０の挿入損失、図１３（ｂ）はＰ１１モードのタップ導波路５３への結合効率の波長依存性を説明する図である。タップ部１０のパラメータは、ｄｃ＝８．２μｍ、Δｃｏｒｅ＝０．３５％、α＝０．１、ｄｔ＝４μｍ、δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＝０．９８としている。図１３で説明する波長１００ｎｍの帯域内では挿入損失の波長依存性は０．５ｄＢ以下、および結合効率の波長依存性は５％以下と十分小さい。従って、１００ｎｍ帯域程度の領域内であればタップ光と透過光の波長を変えて設定しても同等の挿入損失と結合効率を得られる。
（実施形態２）
実施形態１で説明したグレーティング部２０は２モードが伝搬する構造と波長を想定している。一方で、ＬＰ１１モードが伝搬しない波長域においては、たとえばフェムト秒レーザ加工によってグレーティング部２０全体のコアの屈折率を変化（上昇）させることで、グレーティング部２０においてＬＰ１１モードを伝搬可能とすることができる。
ここで、グレーティング部２０全体のコアの屈折率を他の部分のコア５１の屈折率より高くし、グレーティング部２０で励振したＬＰ１１モードを含む光をタップ部１０へ入射することを考える。図１４は、この場合において、ＬＰ１１モードの光（波長１５５０ｎｍ）がタップ導波路５３へ結合する結合効率のα依存性を説明する図である。図１４内の一点鎖線、破線、点線、実線は、それぞれｄｔ／ｄｃ＝０．４９、０．６１、０．７３、０．８５のデータである。また、各パラメータは、ｄｃ＝８．２μｍ、Δｃｏｒｅ＝０．３５％、α＝０．１、ｄｔ＝４μｍ、δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）＝０．９８である。
図１４より、タップ部１０の前段の光ファイバ部分でコアの屈折率を高くし、当該部分でＬＰ１１モードを励振すれば、タップ部１０がＬＰ１１モードの光を伝搬しない構造であってもＬＰ１１モードの光選択的にタップ導波路５３へ結合させることができる。
（実施形態３）
図１５は、グレーティング部２０の形成方法を説明する図である。図１５（Ａ）は、光ファイバ５０の外部から治具２５を押し当てる押し当て式（非特許文献４）を説明する図である。図１５（Ｂ）は、光ファイバ５０の外部から超音波２６を照射して音響光学効果を利用する超音波方式（非特許文献５）を説明する図である。
押し当て式であれば治具２５の押し当て量やピッチで、超音波方式であれば超音波３１の強度や周波数で、グレーティング部２０のグレーティングピッチを調整することができる。このため、図１５のような方式は、結合量や取り出す波長を外部から制御することができる。また、押し当て式は、光ファイバ５０の被覆を取り除く必要がないため、心線への影響を最小限に抑えることができる。
（実施形態４）
図１６は、本実施形態の光側方入出力回路３０２を説明する図である。光側方入出力回路３０２は、実施形態１で説明した光側方入出力回路３０１に対し、光ファイバ５０に、タップ部１０とグレーティング部２０との組が連続して複数配置されていることを特徴とする。光側方入出力回路３０２は、光伝搬方向に前記組を複数個配置することで、伝送路内の任意の箇所での経路の制御や多段の光給電ができる。
（実施形態５）
図１７は、本実施形態の光側方入出力回路３０３を説明する図である。光側方入出力回路３０３は、実施形態４で説明した光側方入出力回路３０２に対し、光ファイバ５０の側面に配置され、タップ部１０が出力する光を受光する受光器３０をさらに備える。図１７に示すように光ファイバ５０の側面に受光器３０を接着することで、タップ光を受光することができる。光側方入出力回路３０３は、タップ光を電気へ変換し、例えば多数のセンサー端末それぞれに電気を供給できる光給電システムとすることができる。
（実施形態６）
図１８及び図１９は、本実施形態の光コネクタ３５０を説明する図である。光コネクタ３５０は光側方入出力回路３０４を備える。光側方入出力回路３０４は、実施形態１で説明した光側方入出力回路３０１に対し、光ファイバ５０の側面に配置され、タップ部１０が出力する光を受光する受光器３０をさらに備える。実施形態５では受光器３０が複数設置されていたが、本実施形態は受光器３０が１つの例である。符号４５は光ファイバ５０の被覆である。
光コネクタ３５０は、光側方入出力回路３０４を内包するフェルール４３およびほかの光コネクタとの接続を担うコネクタプラグ４４を備える。コネクタプラグ４４の形状は、一般的に使用されているＳＣ型、ＦＣ型、ＬＣ型、ＭＰＯ型などである。光コネクタ３５０の内部に光側方入出力回路３０４を内挿することで、他の光ファイバ５０ａとの接続が容易に、且つ光ファイバ５０からの光側面入出力を実現することができる。
（ポイント）
実施形態１から６で説明した光側方入出力回路及び光コネクタは、タップ部におけるモード間のタップ部への結合量の違いを用いて選択的に高次モードのみをタップ部へ結合させることで、任意の波長のみをファイバ側面から出力することができる。
（効果）
実施形態１から６で説明した光側方入出力回路及び光コネクタは、光側方入出力技術に波長選択性を持たせることで、任意の波長の光を任意のパワーを伝送路の中で取り出し、例えば多段に給電光を取り出しセンサの制御や、取り出した光を別の光ファイバに入力することで波長によって経路制御を実現することができる。
１０：タップ部
２０：グレーティング部
２１：長周期ファイバグレーティング（ＬＰＧ）
３０：受光器
４３：フェルール
４４：コネクタプラグ
４５：被覆
５０、５０ａ：光ファイバ
５１：コア
５２：クラッド
５３：タップ導波路
３０１～３０４：光側方入出力回路
３５０：光コネクタ

Claims (7)

  1. 光ファイバのコアを伝搬する光の内、高次モードの光を前記光ファイバの側面から出力するタップ導波路が形成されたタップ部と、
    前記光の伝搬方向において前記タップ部の前段にあり、前記光ファイバの前記コアに所望の波長の光を基本モードから前記高次モードへ変換するグレーティングが形成されたグレーティング部と、
    を備える光側方入出力回路。
  2. 前記グレーティングは、ピッチΛを
    Λ＝λ／（ｎ ｅｆｆ１ －ｎ ｅｆｆ２ ）
    を満たすように設定することを特徴とする請求項１に記載の光側方入出力回路。
    ただし、λは前記所望の波長の真空中における値、ｎ ｅｆｆ１ は前記基本モードの実効屈折率、ｎ ｅｆｆ２ は前記高次モードの実効屈折率である。
  3. 前記グレーティング部は、前記所望の波長において規格化周波数Ｖが２．４以上であり、
    前記タップ部は、
    ｄｔ／ｄｃ≧０．２４Ｖ－０．２７、
    ０．３３≦ｄｔ／ｄｃ≦０．８７、
    ０．２８Ｖ－０．３５≦δｎ／（ｎｃｏｒｅ－ｎｃｌａｄ）
    ≦０．０３Ｖ＋１．２８、
    かつ、α≦－０．５７Ｖ ２ ＋２．６５Ｖ－１．４８
    を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の光側方入出力回路。
    ただし、ｄｔは前記タップ導波路の直径、ｄｃは前記光ファイバの前記コアの直径、δｎは前記タップ導波路の前記光ファイバに対する屈折率変化量、ｎｃｏｒｅとｎｃｌａｄはそれぞれ前記光ファイバの前記コアの屈折率とクラッドの屈折率、αは前記光ファイバの前記コアと前記タップ導波路とが成す角度（°）である。
  4. 前記グレーティング部のコアの屈折率は、前記タップ部のコアの屈折率より高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の光側方入出力回路。
  5. 前記光ファイバに、前記タップ部と前記グレーティング部との組が連続して複数配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載される光側方入出力回路。
  6. 前記光ファイバの側面に配置され、前記タップ部が出力する光を受光する受光器をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載される光側方入出力回路。
  7. 請求項１から６のいずれかに記載される光側方入出力回路を備える光コネクタ。
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