JP7371900B2

JP7371900B2 - マルチコアファイバ用一括モニタ及びモニタリング方法

Info

Publication number: JP7371900B2
Application number: JP2019200036A
Authority: JP
Inventors: 哲也小林; 武敏高畠
Original assignee: Optoquest Co Ltd
Current assignee: Optoquest Co Ltd
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: JP2021071689A

Description

本発明は、マルチコアファイバの各コアから出射されたビームの光情報を一括して検出するためのモニタ装置及びモニタリング方法に関する。

既存のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）伝送系（図３（ａ））や、ＳＭＦを利用したファイバアンプなどの光学機器（図３（ｂ））では、中継地点で光ビームを分岐カプラにより一部の光を分岐させ、光電変換用の光検出器（ＰＤ）を用いて光情報のモニタを行っている。これにより、伝送経路中の断線や光強度等の監視を行うとともに、その監視結果に基づいたフィードバックを行うことで伝送経路の品質を確保している。

また、従来より、光ファイバネットワークにおけるトラヒック量の増大に対して、その要求に応えるべく空間分割多重伝送（ＳＤＭ）が提唱されており、その中の１つの方式として、１本のファイバに複数の伝搬コアを有するマルチコアファイバ（ＭＣＦ）が提案されている。

国際公開ＷＯ２０１４／１１９２７０号パンフレット

ところで、ＭＣＦは、結合型４コア、非結合型４コア、非結合型５コア、結合・非結合型７コアなど様々な種類のものが存在するが、いずれの型式のものもコアピッチが１５～５０μｍ程度で密接している（図４（ａ））。このため、ＭＣＦは、各コアから空間出射させた際の各ビームの広がりにより個々のビームが重なってしまい、各ビームを分離しにくいという問題がある（図４（ｂ））。

また、ビームが重なる前までＭＣＦとＰＤを近接させて各ビームを分離検出することも考えられ、その場合はＭＣＦのコアピッチ付近までＰＤ素子間隔を狭めなくてはならないが、１つの受光素子サイズ自体が数十μｍ～数ｍｍであるＰＤの間隔を狭めることは容易ではない。また、ＭＣＦとＰＤを近接させた場合、受光面で反射した光が再びＭＣＦのコアに戻るという事態が想定される。このような戻り光が伝送経路に発生した場合、雑音の原因となりうるため反射防止のためのデバイス（アイソレータ等）が必要となり、装置構成が複雑になるという問題がある。

上記のような事情から、ＭＣＦの各コアから出射されたビームを個別にモニタするためには、一度各コアから出射されたビームをファンアウトデバイスで分離してそれぞれＳＭＦに入力し、各ＳＭＦを伝送するビームをＰＤによって検出するという構成をとる必要があった（図５）。特許文献１に記載の光受信装置においても、同様の思想に基づいて、ＭＣＦの各コアから出射されたビームを物理的に分離し受光素子へと導入することとしている。

しかしながら、ＭＣＦの各コアにＳＭＦ等を結合して各ビームを物理的に分離する構成を採用する場合、光検出器の他に、コアの数に応じたＳＭＦとカプラを配置する必要がある。このため、モニタ装置の構成が複雑化し、装置全体が比較的大型化するという問題がある。また、ＭＣＦの微細なコアにそれぞれＳＭＦを結合する作業が必要になることから、加工コストが高くなるだけでなく、コアとＳＭＦの結合にずれが生じたり、ＳＭＦ自体に不良が生じるリスクがあり、ビームの伝送や光検出の精度が低下することも懸念される。

そこで、本発明は、コンパクトな構成で精度良くＭＣＦの各コアから出射されたビームの光情報を一括してモニタすることのできる装置及び方法を提供することを主な目的とする。

本発明の発明者らは、従来発明の問題を解決する手段について鋭意検討した結果、空間光学系を用いてＭＣＦの密集した各コアからのビームを空間的に分離し、それぞれのビームを光検出器に導入することにより、コンパクトな構成で、精度良く、ＭＣＦの各コアから出射されたビームの光情報を一括してモニタすることが可能になるという知見を得た。そして、本発明者らは、上記知見に基づけば従来発明の問題を解決できることに想到し、本発明を完成させた。具体的に説明すると、本発明は以下の構成又は工程を有する。

本発明の第１の側面は、マルチコアファイバ用の一括モニタに関する。本発明に係るモニタは、レンズ系と複数の光検出器を備える。レンズ系は、マルチコアファイバの各コアから出射された複数のビームに角度差を与えて各ビーム間の間隔を広げるように、一又は複数のレンズが配置された構成となっている。光検出器は、レンズ系を通過した各ビームをそれぞれ受光することができるように複数個配置されている。このように、レンズ系を用いてＭＣＦの各コアから出射された複数のビームを空間的に分離することで、ＭＣＦの各コアのそれぞれにＳＭＦ等を結合して各ビームを物理的に分離する必要がないため、装置全体の構成を簡素化かつ小型化することができる。また、ＭＣＦの各コアにＳＭＦ等を結合する必要もないため、ビームの伝送や光検出の精度を維持しやすい。このように、本発明によれば、ＭＣＦによる伝送をＳＦＭによる伝送に変換することなく、ＭＣＦから直接的に各コアのビームの光情報を一括してモニタすることが可能となる。

本発明に係るモニタは、ＭＣＦの各コアから出射されたビームが光検出器の受光面に対して非垂直に入射するように構成されていることが好ましい。例えば、光検出器に入射するビームの光軸が光検出器の受光面に対して非垂直となるように、レンズ系に含まれるレンズの配置を調整すればよい。あるいは、光検出器の受光面をビームの光軸に対して傾斜させて、当該受光面にビームが非垂直に入射するようにしてもよい。光検出器の受光面にビームが垂直に入射すると、その反射光が再びレンズ系を経由してＭＣＦに戻る可能性がある（本願明細書においてこのような現象を「戻り光」という）。戻り光は雑音の原因となりうるため防止しなければならないが、上記構成のようにビームが光検出器に対して非垂直に入射するようにすることで、反射光が装置外部に向かって発散されるようになるため、戻り光を効果的に防止することができる。

本発明に係るモニタにおいて、レンズ系は、コアから出射されたビームの光軸と光検出器に入射する当該ビームの光軸とが非平行となるように構成されていることとしてもよい。このように、コアの出射光の光軸と光検出器への入射光の光軸を非平行とすることにより、上記の戻り光を効果的に防止できる。

本発明に係るモニタにおいて、レンズ系は、単一の集光レンズからなるものであってもよい。この場合、ＭＦＣの各コアから出射された光は、単一の集光レンズの異なる位置を通過することとなる。これにより、各ビームに角度差が生じてビーム間の間隔が広がる。このように、レンズ系を単一の集光レンズによって構成することも可能であるため、装置全体がコンパクトなものとなる。

本発明に係るモニタにおいて、レンズ系は、ＭＣＦの各コアから出射された複数のビームに角度差を与えて各ビームをコリメートする第１レンズと、この第１レンズを通過した各ビームを個々の光検出器に集光する第２レンズを含むこととしてもよい。このように、２枚のレンズによってレンズ系を構成することで、レンズ間は平行コリメートビームとなり、例えば第１レンズと第２レンズの間にハーフミラーや光フィルタを配置し、あるＭＣＦから出射されたビームを他のＭＣＦに導入することも可能となる。これにより、ビームの光情報のモニタと伝送を同時に実現できる。

本発明に係るモニタにおいて、レンズ系は、第２レンズの入力側の焦点位置Ｐ２が第１レンズの出力側の焦点位置Ｐ１よりも光軸方向の手前側（つまり第１レンズ寄り）となるように構成されてもよい。このように第２レンズを第１レンズに近づけて配置することで、コアから出射されたビームの光軸と光検出器に入射する当該ビームの光軸とを非平行状態とすることができる。これにより、前述したとおり戻り光を効果的に防止できる。また、集光レンズとＰＤ間距離はレンズの焦点距離（ｆ）よりも短くなることで、更なる短尺化も可能となる。

本発明の第２の側面は、マルチコアファイバ用の一括モニタリング方法に関する。本発明に係る方法では、まず、第１の工程にて、レンズ系によりマルチコアファイバの各コアから出射された複数のビームに角度差を与えて各ビーム間の間隔を広げる。次に、第２の工程にて、レンズ系を通過した各ビームを複数の光検出器によってそれぞれ受光する。

本発明によれば、コンパクトな構成で、精度良く、ＭＣＦの各コアから出射されたビームの光情報を一括してモニタすることができる。

図１は、本発明に係るモニタの第１の実施形態を示している。図２は、本発明に係るモニタの第２の実施形態の基本形（ａ）と改良例（ｂ）を示している。図３は、既存のＳＭＦ伝送系とＳＭＦを利用したファイバアンプを示している。図４は、既存のＭＣＦのコアピッチと出射ビームの発散状態を模式的に示している。図５は、従来のＭＣＦとＳＭＦを結合したモニタ装置を模式的に示している。

以下、図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は、以下に説明する形態に限定されるものではなく、以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜変更したものも含む。

図１は、本発明に係るモニタ１０の第１の実施形態を示している。モニタ１０は、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）２０から出射された複数のビームの光情報（光量、波長、位相、周波数など）を一括して検出するための光学装置である。ＭＣＦは、石英ガラスやプラスチックなどで形成された繊維状の部材であり、クラッド２１の中に複数の光信号伝搬コア２２が形成されている。コア２２は、クラッド２１と比較して屈折率が高く設計されており、コア２２に導入された光は、クラッド層との屈折率差により全反射することによってコア２２内に閉じ込められた状態で伝搬する。ＭＣＦとしては、例えば、図４（ａ）に示されるような結合型４コア、非結合型４コア、非結合型５コア、あるいは結合・非結合型７コアなどの公知のものを用いることができるが、本発明は、ＭＣＦのコア数やコアピッチなどに依存しない。つまり、本発明において使用するレンズは単レンズである為、コアの数、コアの配列、コア間隔などに制限されない構成が可能である。

図１に示されるように、第１の実施形態に係るモニタ１０は、１枚の集光レンズ１１と、複数の光検出器（ＰＤ）１２を備えている。光検出器１２は、少なくとも測定対象となるＭＣＦ２０のコア数と同数設けられる。なお、図１に示した例では、測定対象となるＭＣＦ２０が４つのコア２２を持つものであるため光検出器１２も４つ設けられているが、図１が側面図であることから、図面上では２つに省略されている。

レンズ１１は、ＭＣＦ２０の出射面の直後であって、各コア２２から出射された複数のビームがすべて入射する位置に配置される。例えば、レンズ１１の焦点距離をｆとした場合に、ＭＣＦ２０の出射面とレンズ１１の間の距離をｆとすることが好ましい。ただし、ＭＣＦ２０とレンズ１１の距離は、ＰＤ受光素子サイズ以下のスポット径が得られる距離で良い。また、ＭＣＦ２０の各コア２０から出射されたビームが、それぞれレンズ１１の異なる位置を通過するように、レンズ１１の位置が調整されている。具体的には、ＭＣＦ２０が４コア型である場合、各ビームはレンズ１１の主軸外の異なる位置を通過させればよい。あるいは、ＭＣＦ２０が５コア型や７コア型である場合、中央のコアからのビームはレンズ１１の主軸を通過させ、その他の４つのコアからのビームはすべてレンズ１１の主軸外を通過させればよい。これにより、レンズ１１に入射した各ビームは、レンズ１１により集光され、その後各ビームの光軸に角度差が生じながら進んでいく。このため、ＭＦＣ２０の出射面がレンズ１１に近づくほど、各ビーム間の角度差が拡大していくこととなる。

光検出器１２は、光電変換用の受光素子である。光検出器１２は、レンズ１１の後方であって、各ビーム間の間隔が十分に広く取られた位置に配置される。好ましくは、レンズ１１を通過した各ビームの集光点に光検出器１２の受光面を合わせると良い。これにより、光検出器１２において十分な光量で各ビームを受光することができる。ただし、必ずしも光検出器１２をビームの集光点に合わせる必要はなく、レンズ１１によって集光されたビーム径が光検出器１２の受光面内に収まれば問題はない。レンズ１１と光検出器１２の間の距離は特に限定されないが、少なくともレンズ１１の焦点距離ｆ以下、あるいは焦点距離ｆの１／２倍以上は離れた位置に光検出器１２を配置することが好ましい。

図１に示した光学系においては、ＭＣＦ２０の各コア２２より空間出射されたビームは発散しながら空間を進んでいく。その後、レンズ１１を通過することで各ビームは集光され進んでいく。また、各コア２２から出射したビームは、レンズ１１の主軸外を通過することで、レンズの前側焦点距離とレンズ主軸を交差する点を通過して斜めに進んでいくこととなる。これにより、各ビームの間隔が広がっていく。また、十分にビーム間隔が得られた集光点付近の位置に、光検出器１２が配置されている。これにより、ＭＣＦでの伝送をＳＭＦに変換することなく、各コアからの出射光を一括してモニタすることができる。

上記のようにモニタ１０を構成することにより、ＭＣＦ２０の出射端における各コア２２間の間隔ｄ１に対して、光検出器１２の受光位置（集光点）における各ビーム間の間隔ｄ２を広げることができる。例えば、コア２２の間隔ｄ１に対して、ビームの間隔ｄ２は２倍以上であることが好ましく、５倍以上又は８倍以上であることがより好ましく、１０倍以上又は１２倍以上であることが特に好ましい。このように、単一の集光レンズ１１を利用して各ビームの間隔を拡大することで、光検出器１２を十分に離間して配置することができる。

また、図１では、ＭＣＦ２０から出射されたビーム（射出光）の光軸を符号Ｌ１で示し、光検出器１２に入射するビーム（入射光）の光軸を符号Ｌ２で示している。第１の実施形態では、各ビームの間隔を広げるための空間光学系を単一の集光レンズ１１によって形成しているが、この場合、射出光の光軸Ｌ１と入射光の光軸Ｌ２は非平行となる。具体的には、光軸Ｌ１と光軸Ｌ２のなす角をθとした場合、θは１～８０度であることが好ましく、３～６０度又は５～４５度であることが好ましく、１０～３０度であることが特に好ましい。このように、入射光の光軸Ｌ２が、射出光の光軸Ｌ１に対して傾斜していることで、ＭＣＦ２０の出射面と光検出器１２の受光面が平行である場合に、光検出器１２の受光面に対してビームが非垂直状態で入射することとなる。これにより、図１に示されるように、光検出器１２の受光面で反射したビームが、空間光学系の外に向かって発散される。このため、反射光がレンズ１１を通過してＭＣＦ２０の各コアに再び導入される事態を回避できる。

図２は、本発明に係るモニタ１０の第２の実施形態を示している。図２（ａ）は、第２の実施形態の基本構成を示し、図２（ｂ）はその改良例を示している。第２の実施形態は、第１の実施形態における単一の集光レンズ１１の代わりに第１レンズ１３と第２レンズ１４の２枚のレンズを用いた、テレセントリック光学構成である。

図２（ａ）に示されるように、ＭＣＦ２０の各コア２２から出射されたビームは、それぞれ第１レンズ１３の異なる位置を通過する。第１レンズ１３は、入射光を平行光に変換するコリメートレンズである。第１レンズ１３は、ＭＣＦ２０の出射面の直後であって、各コア２２から出射された複数のビームがすべて入射する位置に配置される。例えば、第１レンズ１３の焦点距離をｆとした場合に、ＭＣＦ２０の出射面と第１レンズ１３の間の距離をｆとすることが好ましい。ただし、ＭＣＦ２０と第１レンズ１３の距離は、ＰＤ受光素子サイズ以下のスポット径が得られる距離で良い。また、ＭＣＦ２０の各コア２２から出射されたビームが、それぞれ第１レンズ１３の異なる位置を通過するように、第１レンズ１３の位置が調整されている。具体的には、ＭＣＦ２０が４コア型である場合、各ビームは第１レンズ１３の主軸外の異なる位置を通過させればよい。あるいは、ＭＣＦ２０が５コア型や７コア型である場合、中央のコアからのビームは第１レンズ１３の主軸を通過させ、その他の４つのコアからのビームはすべて第１レンズ１３の主軸外を通過させればよい。これにより、第１レンズ１３に入射した各ビームは、コリメートされた上で、その後各ビームの光軸に角度差が生じながら進んでいく。このため、第１レンズ１３から離れるほど、各ビーム間の間隔が拡大していくこととなる。

第１レンズ１３を通過した各ビームは、それぞれ第２レンズ１４を通過する。第２レンズ１４は、コリメートされた各ビームを光検出器１２に向かって集光する集光レンズである。第２レンズ１４は、第１レンズ１３を通過した各ビーム間の間隔が十分広くなる位置に配置すればよい。具体的には、第２レンズ１４は、少なくとも第１レンズ１３の焦点距離ｆ以上は第１レンズ１３から離れた位置に配置することが好ましく、焦点距離ｆの２倍以上離れた位置に配置することが特に好ましい。また、第２レンズ１４の後方には、光検出器１２が配置される。好ましくは、第２レンズ１４を通過した各ビームの集光点に光検出器１２の受光面を合わせると良い。これにより、光検出器１２において十分な光量で各ビームを受光することができる。ただし、必ずしも光検出器１２をビームの集光点に合わせる必要はなく、第２レンズ１４によって集光されたビーム径が光検出器１２の受光面内に収まれば問題はない。

図２に示した光学系においては、まず、ＭＣＦ２０の端面より空間出射して広がるビームが第１レンズ１３によって平行光に変換される。各平行光は、第１レンズ１３の前側焦点距離とレンズ主軸が交わる点で交差して斜めに進んでいく。また、各コアのビームが十分に離間した位置に第２レンズ１４が配置されており、この第２レンズ１４によって平行光が集光される。第２レンズ１４の集光位置には、個別に光検出器１２が配置されているため、各コアからのビームを一括してモニタすることができる。

また、図２（ａ）に示した基本形態では、第１レンズ１３の出力側の焦点位置Ｐ１と第２レンズ１４の入力側の焦点位置Ｐ２とが一致するように、各レンズ１３，１４の配置が調整されている。この場合、ＭＣＦ２０から出射されたビーム（射出光）の光軸Ｌ１と、光検出器１２に入射するビーム（入射光）の光軸Ｌ２とが、ほぼ平行となり、ビームが光検出器１２の受光面にほぼ垂直で入射することとなる。このような場合、光検出器１２の反射光が各レンズ１３，１４を通過してＭＣＦ２０の各コアに再び導入される事態が懸念される。

そこで、図２（ｂ）に示した第２の実施形態の改良例では、上記のような戻り光の対策として、第２レンズ１４の位置を、第１レンズ１３寄りの位置にずらすこととしている。図２では、基本形（図２（ａ））における第２レンズ１４の位置と改良例（図２（ｂ））における第２レンズ１４の位置のズレを符号ｇで示している。具体的には、図２（ｂ）に示す改良例では、第２レンズ１４の入力側の焦点位置Ｐ２が第１レンズ１３の出力側の焦点位置Ｐ１よりも光軸方向の手前側となるように、第２レンズ１４を第１レンズ１３寄りの位置に配置している。これにより、射出光の光軸Ｌ１と入射光の光軸Ｌ２は非平行となる。具体的には、光軸Ｌ１と光軸Ｌ２のなす角をθとした場合、θは１～８０度であることが好ましく、３～６０度又は５～４５度であることが好ましく、１０～３０度であることが特に好ましい。このように、入射光の光軸Ｌ２が、射出光の光軸Ｌ１に対して傾斜していることで、ＭＣＦ２０の出射面と光検出器１２の受光面が平行である場合に、光検出器１２の受光面に対してビームが非垂直状態で入射することとなる。これにより、図２（ｂ）に示されるように、光検出器１２の受光面で反射したビームが、空間光学系の外に向かって発散される。このため、戻り光が発生することを回避できる。

図２（ｂ）の改良例では、第２レンズ１４の光軸方向位置が焦点距離ｆ位置より手前に設定されている。このように、第２レンズ１４の光軸方向位置を第１レンズ１３に近づけることで、焦点距離は変わらずに光軸角度が外向きに振れるように集光される。そのため、光検出器１２への入射角度が垂直ではなくなり、光検出器１２の受光面からの反射光が元の光路に戻ることが無くなる。また、各コアからの集光光軸が対称に外側に角度が付くため、所望の光検出器１２の間距離を得るための光路長が短くなり、デバイスの小型化が可能となる。

また、図２（ａ）と（ｂ）を比べるとわかるように、第２レンズ１４の位置を第１レンズ１３寄りの位置にずらすことで、結果として、光検出器１２の受光位置（集光点）における各ビーム間の間隔ｄ２をさらに広げることができる。また、第２レンズ１４をずらした分（距離ｇの分）、モニタ１０の光軸方向のサイズを小さくすることができる。このため、図２（ｂ）の改良例の方がビームの分離性能及び小型化の観点でも有利であるといえる。

なお、図示は省略するが、第２の実施形態においては、第１レンズ１３と第２レンズ１４の間にハーフミラーや光フィルタを配置して、光検出器１２へと向かうビームと装置外部へ向かうビームとに分岐することも可能である。この場合、装置外部へと向かうビームを別のＭＣＦに接続することもできる。これにより、ＭＣＦによる光伝送と、このＭＣＦにより伝送されている光の情報のモニタとを同時に実現できる。

また、上記した実施形態では、戻り光対策として、レンズを調整することによりビームの光軸を傾斜させ、ビームが光検出器の受光面に垂直に入射しないようにしていた。ただし、戻り光対策はこれに限られず、例えば光検出器の受光面をビームの光軸に対して傾けることにより、ビームが受光面に垂直に入射しないようにすることも可能である。この場合、例えば図２（ａ）に示した実施形態においても、光検出器１２の受光面を傾けることで戻り光対策が可能となる。

以上、本願明細書では、本発明の内容を表現するために、図面を参照しながら本発明の実施形態の説明を行った。ただし、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に記載された事項に基づいて当業者が自明な変更形態や改良形態を包含するものである。

１０…モニタ１１…レンズ
１２…光検出器１３…第１レンズ
１４…第２レンズ２０…マルチコアファイバ
２１…クラッド２２…コア

Claims

マルチコアファイバの各コアから出射された複数のビームに角度差を与えて各ビーム間の間隔を広げるように一又は複数のレンズが配置されたレンズ系と、
前記レンズ系を通過した各ビームをそれぞれ受光する複数の光検出器を備え、
前記マルチコアファイバの各コアから出射されたビームが前記光検出器の受光面に対して非垂直に入射するように、前記レンズ系に含まれる前記レンズの位置が調整されている
マルチコアファイバ用一括モニタ。
前記マルチコアファイバの出射面と前記光検出器の受光面は平行である
請求項１に記載のモニタ。
前記レンズ系は、前記コアから出射されたビームの光軸と前記光検出器に入射する当該ビームの光軸とが非平行となるように構成されている
請求項１又は請求項２に記載のモニタ。
前記レンズ系は、単一の集光レンズからなる
請求項１から請求項３のいずれかに記載のモニタ。
前記レンズ系は、前記マルチコアファイバの各コアから出射された複数のビームに角度差を与えて各ビームをコリメートする第１レンズと、前記第１レンズを通過した各ビームを個々の前記光検出器に集光する第２レンズを含む
請求項１から請求項３のいずれかに記載のモニタ。
前記レンズ系は、前記第２レンズの入力側の焦点位置（Ｐ２）が前記第１レンズの出力側の焦点位置（Ｐ１）よりも光軸方向の手前側となるように構成されている
請求項５に記載のモニタ。
レンズ系によりマルチコアファイバの各コアから出射された複数のビームに角度差を与えて各ビーム間の間隔を広げる工程と、
前記レンズ系を通過した各ビームを複数の光検出器によってそれぞれ受光する工程を含み、
前記マルチコアファイバの各コアから出射されたビームが前記光検出器の受光面に対して非垂直に入射するように、前記レンズ系に含まれる前記レンズの位置が調整されている
マルチコアファイバ用一括モニタリング方法。