JP6643151B2 - 光分岐結合器及び光送受信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光の分岐器や結合器等として使用可能な光分岐結合器及び光送受信モジュールに関するものである。

従来、この種の発明には、例えば特許文献１に記載されるもののように、中空状の筐体と、該筐体の壁面に接続された三つの光ファイバと、前記筐体内に支持された光学フィルタ（ハーフミラーやＷＤＭフィルタ等）と、前記筐体内に充填された光硬化樹脂の硬化物とを具備した光モジュールがある。
この光モジュールの製造方法では、前記光ファイバから照射される光により筐体内の光硬化樹脂を硬化させて、前記光フィルタの両側に三つコアを形成する。このような製造技術は、自己形成導波路技術と呼称される。この後、前記三つのコアを被覆するように、これらコアよりも屈折率が小さい材料からなるクラッドが形成される。
また、他の従来技術としては、例えば特許文献２に記載されるもののように、自己形成導波路技術により、フィルターレスの分岐構造を形成したものもある。この従来技術では、分岐された二本の光導波路コアの角度が、１０度以上の３０度以下に限定されており、これによって、設計及び製造時の光軸合せの困難が解消され、光損失の増加を抑制できるとしている。

特開２０１０−３２５８２号公報 特開２０１０−８７８７号公報

しかしながら、前者従来技術では、ハーフミラーやＷＤＭフィルタ等の光学フィルタを内在しているため、筐体内の構造が複雑になる上、比較的高価な構成になってしまう。
後者従来技術では、分岐された二本の光導波路コアを特定の角度としなければならないため、光軸交差方向に大型化してしまう可能性がある。
また、前記何れの従来技術においても、二本の光導波路コアの接合部付近で、一方の光導波路コアの光が、他方の光導波路コアに影響されること等に起因して、光伝送品質の低下をまねくおそれがある。

このような課題に鑑みて、本発明の光分岐結合器は、一端側から他端側へ延設された第１の光導波路と、同じ一端側から他端側へ別経路にて延設されるとともに、該他端側を前記第１の光導波路の前記他端側に接合した第２の光導波路と、これら第１の光導波路及び第２の光導波路の周囲を覆うクラッド層とを備え、前記第１の光導波路が第１の光硬化樹脂の硬化物であり、前記第２の光導波路が、前記第１の光硬化樹脂とは異なる第２の光硬化樹脂の硬化物であり、前記第２の光導波路の屈折率が、前記第１の光導波路の屈折率よりも小さく、前記クラッド層の屈折率が、前記第２の光導波路の屈折率よりも小さく、前記第１の光導波路の径が、前記第２の光導波路の径よりも小さく形成され、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが、前記他端側において、前記第１の光導波路が前記第２の光導波路に内在された状態で接合していることを特徴とする。

また本発明の光送受信モジュールは、前記に記載した構成を有する光分岐結合器と、該光分岐結合器の前記第１の光導波路の前記一端側の端面に光を入光するように接続された光源部と、前記第２の光導波路の前記一端側の端面から光を受光するように接続された受光部とを具備したことを特徴とする。

上述した基本構造を用いたことで本願記載の発明は、光分岐結合器の製造に際して、光を入力させることにより、光導波路を自己的につくることができる。また、同一直線状に無い複数の光軸に対して、導波路を自己調芯接続することが可能となる。加えて、光分岐結合器について、フィルタ及びレンズ等の光学部品を用いずに構成することができる。

即ち、この様な構造を具備することによって、本発明記載の構造では、光伝送品質を向上した光分岐結合器を自己形成導波路技術によって製造することが可能となっている。

また、前記第２の態様を用いることで、光伝送品質を更に向上することができる。

本発明に係る光分岐結合器の一例を示す側面図であり、要部を切欠した断面で示している。 第１及び第２の光導波路と第１ポートの接合部分の概略構造を示す斜視図であり、クラッド層の図示を省略している。 本発明に係る光分岐結合器の製造方法の一例を示す模式図であり、クラッド層を形成した状態を示している。 本発明に係る光送受信モジュールの一例を示す側面図である。 本発明に係る光送受信モジュールを用いた場合のアイパターン測定画像を示す。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下、異なる図における同一符号は同一部位を示しており、重複する説明は適宜省略する。

図１は、本発明に係る光分岐結合器の一例を示す。
この光分岐結合器Ａは、一端側（図１によれば右端側）から他端側（図１によれば左端側）へ延設された第１の光導波路１と、同じ一端側から別経路にて他端側へ延設されるとともに該他端側を第１の光導波路１の前記他端側に接合した第２の光導波路２と、これら第１の光導波路１及び第２の光導波路２をコアとして該コアの周囲を覆うクラッド層３とを具備している。
なお、図１中、二点鎖線は、光分岐結合器Ａを製造する際に用いられた第１ポート１０、第２ポート２０及び第３ポート３０である。

第１の光導波路１及び第２の光導波路２が光硬化樹脂の硬化物であり、第２の光導波路２は、第１の光硬化樹脂とは異なる第２の光硬化樹脂の硬化物である。そして、クラッド層３は、第１の光硬化樹脂及び第２の光硬化樹脂とは異なる第３の光硬化樹脂の硬化物である。尚、同じ技術的見地から、当該第３の光硬化性樹脂については、熱硬化性樹脂といった第２の光硬化樹脂よりも屈折率の低い材質を用いることが可能となっている。

尚、前記第２の光導波路２は、必ずしも第１の光硬化樹脂とは異なる第２の光硬化樹脂の硬化物である必要はなく、光硬化物であれば良い。この場合、光分岐結合器の製造に際して、光を入力させることにより、光導波路を自己的につくることができる。また、同一直線状に無い複数の光軸に対して、導波路を自己調芯接続することが可能となる。加えて、光分岐結合器について、フィルタ及びレンズ等の光学部品を用いずに構成することができる。

第１及び第２の光硬化樹脂は、例えば４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長の光により硬化する光硬化樹脂であればよく、一般的な自己形成導波路技術に用いられるものとすればよい。
クラッド層３は、紫外線の照射により硬化する光硬化樹脂等、第２の光硬化性樹脂よりも屈折率の低い材質であればよい。
これら第１の光硬化樹脂、第２の光硬化樹脂及び第３の光硬化樹脂は、例えば、特許文献１及び２に記載された光硬化樹脂や、その他の周知の光硬化樹脂から適宜に選択することが可能である。
そして、前記光硬化樹脂に異なるものを用いることにより、第２の光導波路２の屈折率n₂が、第１の光導波路１の屈折率n₁よりも小さくなっており、さらに、クラッド層３の屈折率n₃が、第１の光導波路１及び第２の光導波路２の屈折率n₁,n₂よりも小さくなっている。

このような屈折率の設定によれば、第１の光導波路１においては、第２の光導波路２に対し、該第１の光導波路１内に光を閉じ込める作用が働く。このため、例えば、第３ポート３０から第１の光導波路１を通り、第１ポート１０へ光を伝送した場合に、第２の光導波路２への光の漏れが少なく、低損失且つ高品質な光伝送が可能になる。

本実施の形態の好ましい一例では、前記屈折率の比が以下の数式の関係になっている
n₁:n₂:n₃=約1.54:約1.52: 約1.45
また、第１の光導波路１と第２の光導波路２間、第１の光導波路１とクラッド層３間、第２の光導波路２とクラッド層３間のＮＡ（Numerical Aperture：開口数）を、ＮＡ_１２、ＮＡ_１３、ＮＡ_２３とし、以下の式により計算することができる。
ＮＡ_１２＝（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２
ＮＡ_１３＝（ｎ_１ ^２−ｎ_３ ^２）^１／２
ＮＡ_２３＝（ｎ_２ ^２−ｎ_３ ^２）^１／２
本実施の形態の好ましい一例では、以下の数式の関係が成り立つ。
ＮＡ_１３＞ＮＡ_２３＞ＮＡ_１２

また、第１の光導波路１の外径は、第２の光導波路２の外径よりも小さく設定されている。
このように、光導波路の外径を設定すると、例えば、第１ポート１０側から第２ポート２０側へ向かうように、太い方の第２の光導波路２によって光を伝送した場合に、その光が細い方の第１の光導波路１へ抜けること等による損失を低減することができる。

第１の光導波路１と第２の光導波路２は、前記他端側（図示の左端側）に接合部分ｘを有するとともに、その逆側を枝分かれ状に形成した略Ｙ字状もしくは略Ｖ字状に構成される。
接合部分ｘでは、図２に示すように、第１の光導波路１が第２の光導波路２に内在される。換言すれば、接合部分ｘは、第１の光導波路１の全周を第２の光導波路２が覆ったダブルコア状に構成される。

なお、図２では、第１ポート１０を実線で示しているが、本発明に係る光分岐結合器Ａは、接合部分ｘの端部に第１ポート１０が接続された態様としてもよいし、第１ポート１０の無い態様としてもよい。

クラッド層３は、第１の光導波路１及び第２の光導波路２をコアとし、このコアの周囲を長手方向の全長にわたって覆っている。
このクラッド層３は、後述する容器４０の内面形状に応じて、例えば、円柱状や、角柱状、その他の立体形状に形成することが可能である。

次に、上記構成の光分岐結合器Ａについて、その製造方法を詳細に説明する。
この製造方法では、第１ポート１０と、第１ポート１０に対し該第１ポート１０の光軸方向（図示例によれば右方向）に離れた第２ポート２０と、第２ポート２０に対し光軸交差方向（図示例によれば下方向）へ間隔を置いて略平行に並ぶ第３ポート３０と、第２ポート２０及び第３ポート３０と第１ポート１０との間の空間を覆うとともに各ポートの前記空間側の先端部を覆う容器４０とが用いられる。

第１ポート１０、第２ポート２０及び第３ポート３０は、それぞれ、コア径が異なる光ファイバである。
第１ポート１０のコア径をｃ１、第２ポート２０のコア径をｃ２、第３ポート３０のコア径をｃ３とすると、以下の関係式が成り立つ。
ｃ１≧ｃ２≧ｃ３

特に、本実施の形態の好ましい態様では、前記コア径の関係を以下のようにしている。
ｃ１＝ｃ２＞ｃ３

また、容器４０は、クラッド層３の外面形状を形作る中空立体状に形成される。この容器４０の材質は、例えば、金属や硬質合成樹脂、セラミック、ガラス等の硬質材料とすればよく、必要に応じて、紫外線光を透過させる窓や開口等が設けられる。
この容器４０の一端側には、第２ポート２０及び第３ポート３０の端部を挿通する貫通状の孔（図示せず）が形成される。
また、容器４０の他端側には、第１ポート１０の端部を挿通する貫通状の孔（図示せず）が設けられる。
また、この容器４０の壁部には、第１〜３の光硬化樹脂を充填したり、未硬化の光硬化樹脂を除去したりするための開口部（図示せず）が設けられている。

ここで、本実施形態に於いて、図３に示す光分岐結合器は３本のファイバ出射光を用いた自己形成導波路技術により製造しており、低損失の当該結合器を構成することが可能となった。

そして、上記構成の光分岐結合器Ａは、例えば、図４に示す光送受信モジュールＢを構成する。
図示例の送受信モジュールＢは、第１ポート１０を接続した光分岐結合器Ａと、第１の光導波路１の前記一端側（図示例によれば右端側）の端面に光を入光するように接続された光源部４と、第２の光導波路２の前記一端側の端面から光を受光するように接続された受光部５と、制御回路部６とを具備した光トランシーバである。

光源部４は、発光ダイオードや、レーザダイオード等を備えた光源装置である。
受光部５は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等を備えた受光装置である。

これら光源部４及び受光部５は、制御基板６によって一体的に支持される。
制御基板６は、外部から入力される電気信号を光信号に変換して光源部４から第１の光導波路１へ発するための回路や、第２の光導波路２から受光した光信号を電気信号に変換して外部へ出力するための回路等を有する電子回路基板である。

次に、上述した光分岐結合器Ａ及び送受信モジュールＢの性能評価実験について説明する。
この実験では、長さ１５メートルのＳＩ型２００／２３０μｍのマルチモードファイバの両端部の各々に、送受信モジュールＢを接続し、これら対向する二つの送受信モジュールＢ，Ｂによって１Ｇｂｐｓの１芯双方向通信を行い、ビットエラーレートテスタ（アジレントテクノロジー社製（現キーサイト・テクノロジー社）Ｎ４９０３Ａ）を用いてアイパターン回析を行った。

図５は、上記光分岐結合器Ａを有する送受信モジュールＢを用いた場合のアイパターン画像を示す。このアイパターン画像は、波形が同じ位置(タイミング・電圧)で複数重ね合っており、光伝送品質が良好であることを示している。

すなわち、本願発明者らは、鋭意研究の結果、第１の光導波路１の屈折率よりも第２の光導波路２の屈折率を小さくすること、第１の光導波路１を第２の光導波路２よりも細くすること等により、第１の光導波路１と第２の光導波路２の相互間の影響による光伝送品質の低下を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

また、本実施の形態の光分岐結合器Ａでは、第１の光導波路１と第２の光導波路２の間の角度を例えば０〜１０°程度に小さくすることができ、このようにした場合でも、上記した高い光伝送品質を得ることができる。したがって、光交差方向の寸法を小さくして、光分岐結合器Ａ全体を細身化することができる。

そして、上記光分岐結合器Ａは、特に、一対の双方向通信デバイスを構成するのに適しており、フィルターレスでギガビットクラスの高速通信が可能である。

なお、上記光分岐結合器Ａによれば、光硬化樹脂からなるクラッド層３を設けるようにしたが、他例としては、光硬化樹脂のクラッド層３を省いて、周囲の気体、液体（例えば空気、水等）をクラッド層とすることも可能である。

また、図２に示す一例では、特に好ましい態様として、第２の光導波路２の外径ｃ２を、第１ポート１０におけるコア径ｃ１と略同径にしたが、他例としては、外径ｃ２をコア径ｃ１よりも小さくすることが可能である。

また、上記光分岐結合器Ａでは、第１ポート１０を単一のコアと単一のクラッドを有する光ファイバとしているが、より好ましい他例としては、第１ポート１０を、中心部寄りのコアと、該コアの周囲を覆う第１クラッドと、該第１クラッドの周囲を覆う第２クラッドとを具備するダブルクラッド構造の光ファイバとしてもよい。
この他例では、第１ポート１０のコア径を第１の光導波路１の外径以上とし、第１の光導波路１を、第１ポート１０のコアに接合する。
そして、第１ポート１０の前記第１クラッドの外径を第２の光導波路２の外径以上とし、第２の光導波路２を、前記他端側にて第１の光導波路１を覆うようにして第１ポート１０の前記第１クラッドの部分に接合する。

また、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

１：第１の光導波路
２：第２の光導波路
３：クラッド層
４：光源部
５：受光部
１０：第１ポート
２０：第２ポート
３０：第３ポート
４０：容器
Ａ：光分岐結合器
Ｂ：送受信モジュール
ｘ：接合部分

Claims (2)

1. 一端側から他端側へ延設された第１の光導波路と、同じ一端側から他端側へ別経路にて延設されるとともに、該他端側を前記第１の光導波路の前記他端側に接合した第２の光導波路と、これら第１の光導波路及び第２の光導波路の周囲を覆うクラッド層とを備え、
   前記第１の光導波路が第１の光硬化樹脂の硬化物であり、前記第２の光導波路が、前記第１の光硬化樹脂とは異なる第２の光硬化樹脂の硬化物であり、前記第２の光導波路の屈折率が、前記第１の光導波路の屈折率よりも小さく、前記クラッド層の屈折率が、前記第２の光導波路の屈折率よりも小さく、
   前記第１の光導波路の径が、前記第２の光導波路の径よりも小さく形成され、
   前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが、前記他端側において、前記第１の光導波路が前記第２の光導波路に内在された状態で接合していることを特徴とする光分岐結合器。
2. 請求項１に記載の光分岐結合器と、該光分岐結合器の前記第１の光導波路の前記一端側の端面に光を入光するように接続された光源部と、前記第２の光導波路の前記一端側の端面から光を受光するように接続された受光部とを具備したことを特徴とする光送受信モジュール。