特許 6986904 光ファイバ、光デバイス、及び、光デバイスの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6986904

(24)【登録日】2021年12月2日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】光ファイバ、光デバイス、及び、光デバイスの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/036 20060101AFI20211213BHJP

   G02B 6/30 20060101ALI20211213BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/036

   G02B6/30

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-163483(P2017-163483)

(22)【出願日】2017年8月28日

(65)【公開番号】特開2019-40131(P2019-40131A)

(43)【公開日】2019年3月14日

【審査請求日】2020年6月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】平川 圭祐

【審査官】 野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０５１７５７８１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 韓国公開特許第１０−２００５−０１０５３０７（ＫＲ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０５６６５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２９５０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 平川圭祐他，シリコン光導波路との結合に適した細径コア光ファイバ，フジクラ技報，日本，株式会社フジクラ，2017年04月10日，No.130，pp.7-11

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／０２−６／０３６

６／１０

６／２４

６／２５５−６／２７

６／３０−６／３４

６／３６−６／４４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コアと、コアの側面を覆うクラッドと、を備え、
上記コアの直径Ｒが４．７μｍ以下であり、
上記クラッドに対する上記コアの比屈折率差Δが０．７％以上であり、
上記コアの直径Ｒは、加熱により上記コアの直径Ｒが変化する場合に、上記コアの直径Ｒに対するモードフィールド径ωの変化率ｄω／ｄＲの符号が負になるように決められており、
曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下である、
ことを特徴とする光ファイバ。

【請求項2】

上記クラッドに対する上記コアの比屈折率差Δが２．０％未満である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。

【請求項3】

上記コアの直径Ｒが４．２μｍ以下であり、
上記クラッドに対する上記コアの比屈折率差Δが０．９％以上であり、
上記コアの直径Ｒに対するモードフィールド径ωの変化率ｄω／ｄＲの符号が負であり、
曲げ半径を５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ。

【請求項4】

上記コアは、アップドーパントが添加された石英ガラスにより構成されており、
上記クラッドは、上記コアの側面を覆う内側クラッドと、上記内側クラッドの側面を覆う外側クラッドと、を含み、
上記内側クラッドは、アップドーパント及びダウンドーパントの両方が添加された石英ガラスにより構成されており、
上記外側クラッドに対する上記内側クラッドの比屈折率差Δ２の絶対値｜Δ２｜が０．１％以下である、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光ファイバ。

【請求項5】

請求項４に記載の光ファイバと、該光ファイバに空間結合された半導体光導波路と、を備えた光デバイス。

【請求項6】

請求項４に記載の光ファイバと、該光ファイバに融着接続された汎用シングルモードファイバと、を備えた光デバイス。

【請求項7】

光ファイバと、該光ファイバに空間結合された半導体光導波路と、を備えた光デバイスの製造方法であって、
請求項４に記載の光ファイバを第１の光ファイバとし、請求項４に記載の光ファイバを加熱することにより得られた、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバを第２の光ファイバとして、上記第１の光ファイバの電界分布の方が上記半導体光導波路の電界分布に近いか、上記第２の光ファイバの電界分布の方が上記半導体光導波路の電界分布に近いかを判定する工程を含み、
上記第１の光ファイバの電界分布の方が上記半導体光導波路の電界分布に近いと判定した場合、上記第１の光ファイバを上記半導体光導波路に空間結合することにより上記光デバイスを製造し、上記第２の光ファイバの電界分布の方が上記半導体光導波路の電界分布に近いと判定した場合、上記第２の光ファイバを上記半導体光導波路に空間結合することにより上記光デバイスを製造する、ことを特徴とする光デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コアとクラッドとを備えた光ファイバ、そのような光ファイバを備えた光デバイス、及び、そのような光デバイスの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコン光導波路に代表される半導体光導波路は、光通信用デバイスの集積化に寄与する技術として、大きな期待が寄せられている。例えば、光変調器、光検出器、光スイッチなどの機能を有するシリコン光導波路が実現されており、光通信への利用が始まっている。

【0003】

半導体光導波路に入力する光、又は、半導体光導波路から出力された光を伝搬するために、半導体光導波路には、しばしば、汎用シングルモードファイバが接続される。ところが、半導体光導波路のモードフィールド径が１μｍ程度であるのに対して、汎用シングルモードファイバのモードフィールド径は１０μｍ程度である。このため、半導体光導波路に汎用シングルモードファイバを突き合わせ接続すると、モードフィールド径の差に起因する接続損失が大きくなり過ぎて実用に耐えない。

【0004】

そこで、半導体光導波路にスポットサイズ変換器を作り込み、このスポットサイズ変換器に汎用シングルモードファイバを接続する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、スポットサイズ変換器を用いて半導体光導波路のモードフィールド径を汎用シングルモードファイバのモードフィールド径と同程度まで拡大すると、スポットサイズ変換器における損失が大きくなるという問題がある。このため、スポットサイズ変換器を用いてモードフィールド径が４μｍ程度に拡大された半導体光導波路に、モードフィールド径が４μｍ程度のブリッジファイバの一端を突き合わせ接続し、このブリッジファイバの他端にモードフィールド径が１０μｍの汎用シングルモードファイバを融着接続することが検討されている。

【0005】

このようなブリッジファイバには、ＴＥＣ（Thermally Diffused Expanded Core）ファイバ、すなわち、加熱によりコア径を拡大可能な光ファイバを用いる（特許文献２、非特許文献１参照）。そうすると、ブリッジファイバのコアがＣＳＭＦとの融着時又はその後の加熱により拡大するため、ブリッジファイバとＣＳＭＦとの間にモードフィールド径の不整合が軽減され、その結果、ブリッジファイバとＣＳＭＦとの融着点における接続損失を小さく抑えることができるからである。

【0006】

なお、熱拡散によるコアの拡大は、コアを形成するために添加されたアップドーパント（石英ガラスの屈折率を上げるための添加物）が加熱により周囲に拡散することによって生じる。コアを形成するために添加されたアップドーパントがゲルマニウム（Ｇｅ）である場合、周囲にゲルマニウム、リン（Ｐ）、及びフッ素（Ｆ）を共添加することによって、コアの拡大を促進できることが知られている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第５９００４８４号（２０１６年４月６日発行）

【特許文献2】特許第３９９３１９８号（２００７年１０月１７日発行）

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】K. Hirakawa, T. Oda, K. Ichii, and K. Aikawa, " Small Core Diameter TEC Fiber for Silicon Optical Waveguides", 電子情報通信学会技術研究報告, 2016年10月20日, vol.116, no.273, pp.37-41

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

光ファイバと半導体光導波路との空間結合に関して、従来、両者のモードフィールド径の違いについては考慮されていたが、両者の電界分布の違いについては考慮されていなかった。このため、従来の光ファイバにおいては、半導体光導波路との結合効率を向上させる余地が残されていた。

【0010】

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、曲げ損失を徒に増大させることなく、半導体光導波路との結合効率を向上させた光ファイバを実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る光ファイバは、コアと、コアの側面を覆うクラッドと、を備え、上記コアの直径Ｒが４．７μｍ以下であり、上記クラッドに対する上記コアの比屈折率差Δが０．７％以上であり、上記コアの直径Ｒに対するモードフィールド径ωの変化率ｄω／ｄＲの符号が負であり、曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下である、ことを特徴とする。

【0012】

本発明に係る光ファイバにおいては、上記コアの直径Ｒが４．２μｍ以下であり、上記クラッドに対する上記コアの比屈折率差Δが０．９％以上であり、上記コアの直径Ｒに対するモードフィールド径ωの変化率ｄω／ｄＲの符号が負であり、曲げ半径を５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下である、ことが好ましい。

【0013】

本発明に係る光ファイバにおいて、上記コアは、アップドーパントが添加された石英ガラスにより構成されており、上記クラッドは、上記コアの側面を覆う内側クラッドと、上記内側クラッドの側面を覆う外側クラッドと、を含み、上記内側クラッドは、アップドーパント及びダウンドーパントの両方が添加された石英ガラスにより構成されており、上記外側クラッドに対する上記内側クラッドの比屈折率差Δ２の絶対値｜Δ２｜が０．１％以下である、ことが好ましい。

【0014】

本発明に係る光デバイスは、上記の光ファイバと、該光ファイバに空間結合された半導体光導波路と、を備えている。

【0015】

本発明に係る光デバイスは、上記の光ファイバと、該光ファイバに融着接続された汎用シングルモードファイバと、を備えている。

【0016】

本発明に係る製造方法は、上記の光ファイバと、該光ファイバに空間結合された半導体光導波路と、を備えた光デバイスの製造方法であって、上記の光ファイバを第１の光ファイバとし、上記の光ファイバを加熱することにより得られた、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバを第２の光ファイバとして、上記第１の光ファイバの電界分布の方が上記半導体光導波路の電界分布に近いか、上記第２の光ファイバの電界分布の方が上記半導体光導波路の電界分布に近いかを判定する工程を含み、上記第１の光ファイバの電界分布の方が上記半導体光導波路の電界分布に近いと判定した場合、上記第１の光ファイバを上記半導体光導波路に空間結合することにより上記光デバイスを製造し、上記第２の光ファイバの電界分布の方が上記半導体光導波路の電界分布に近いと判定した場合、上記第２の光ファイバを上記半導体光導波路に空間結合することにより上記光デバイスを製造する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、曲げ損失を徒に増大させることなく、半導体光導波路との結合効率を向上させた光ファイバを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る光ファイバの構造及び屈折率分布を示す図である。上段は、その光ファイバの構造を示す断面図であり、下段は、その光ファイバの屈折率分布を示すグラフである。

【図2】図１に示す光ファイバにおけるコア径Ｒとモードフィールド径ωとの関係を示すグラフである。（ａ）に示すグラフは、コアΔを０．３％とした場合に得られたものであり、（ｂ）に示すグラフは、コアΔを１．０％とした場合に得られたものであり、（ｃ）に示すグラフは、コアΔを２．０％とした場合に得られたものであり、（ｄ）に示すグラフは、コアΔを２．５％とした場合に得られたものである。

【図3】図１に示す光ファイバの電界分布を示すグラフである。実線で表したグラフは、モードフィールド径ωが４．３μｍである光ファイバのうち、変化率ｄω／ｄＲの符号が負になる光ファイバの電界分布を示し、点線で表したグラフは、モードフィールド径ωが４．３μｍである光ファイバのうち、変化率ｄω／ｄＲの符号が正になる光ファイバの電界分布を示す。

【図4】図１に示す光ファイバに関して、変化率ｄω／ｄｒが０になるコア径ＲとコアΔとの組み合わせを実線でプロットし、曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎとなるコア径ＲとコアΔとの組み合わせを点線でプロットしたグラフである。

【図5】図１に示す光ファイバに関して、変化率ｄω／ｄｒが０になるコア径ＲとコアΔとの組み合わせを実線でプロットし、曲げ半径を５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎとなるコア径ＲとコアΔとの組み合わせを点線でプロットしたグラフである。

【図6】（ａ）は、第１の実施例に係る光ファイバであって、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバの電界分布を示すグラフであり、（ｂ）は、実施例に係る光ファイバであって、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバの電界分布を示すグラフである。

【図7】（ａ）は、第２の実施例に係る光ファイバであって、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバの電界分布を示すグラフであり、（ｂ）は、実施例に係る光ファイバであって、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバの電界分布を示すグラフである。

【図8】（ａ）は、図１に示す光ファイバを備えた光デバイスの第１の例を示す側面図であり、（ｂ）は、図１に示す光ファイバを備えた光デバイスの第２の例を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

〔光ファイバの構造〕
本発明の一実施形態に係る光ファイバ１の構造について、図１を参照して説明する。図１の上段は、光ファイバ１の構造を示す断面図であり、図１の下段は、光ファイバ１の屈折率分布を示すグラフである。

【0020】

光ファイバ１は、石英ガラスを主成分とする円柱状の構造体であり、図１の上段に示すように、（１）円形（半径ｒ１）状の断面を有するコア１１と、（２）コアの側面を覆う、円環（内周半径ｒ１，外周半径ｒ３）状の断面を有するクラッド１２と、を備えている。クラッド１２は、（２ａ）コアの側面を覆う、円環（内周半径ｒ１，外周半径ｒ２）状の断面を有する内側クラッド１２ａと、（２ｂ）内側クラッド１２ａの側面を覆う、円環（内周半径ｒ２，外周半径ｒ３）状の断面を有する外側クラッド１２ｂと、を含む。なお、光ファイバ１は、（４）外側クラッド１２ｂの外側面を覆う、円環状の断面を有する保護被覆層（不図示）を更に備えていてもよい。

【0021】

コア１１は、アップドーパントであるゲルマニウム（Ｇｅ）が添加された石英ガラスにより構成されている。コア１１の屈折率分布は、図１の下段に示す一様分布であるか、又は、図１の下段に示す一様分布により近似される。コア１１の屈折率ｎ１は、図１の下段に示すように、後述する外側クラッド１２ｂの屈折率ｎ２ｂよりも高くなる。なお、コア１１の屈折率分布が完全な一様分布でない場合、コア１１の屈折率ｎ１とは、コア１１の屈折率の平均値のことを指す。コア１１の屈折率ｎ１と外側クラッド１２ｂの屈折率ｎ２ｂとから、Δ１＝｛（ｎ１−ｎ２ｂ）／ｎ１｝×１００により定義される量Δ１を、外側クラッド１２ｂに対するコア１１の比屈折率差と呼ぶ。

【0022】

コア１１に添加するアップドーパントの濃度は、比屈折率差Δ１が０．７％以上４％以下になるように設定されていることが好ましく、比屈折率差Δ１が０．９％以上４％以下になるように設定されていることが更に好ましい。

【0023】

比屈折率差Δ１を小さくなり過ぎると、曲げ損失が許容範囲の上限を上回るという問題を生じ得る。例えば、比屈折率差を０．９％よりも小さくすると、曲げ半径を５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎを上回るという問題を生じ易くなる。また、比屈折率差を０．７％よりも小さくすると、曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの１ターンあたりの曲げ損失が波長１５５０ｎｍにおいて０．１ｄＢを上回るという問題を生じ易くなる。比屈折率差Δ１を上記のように設定すれば、このような問題が生じ難くなる。

【0024】

逆に、比屈折率差Δ１を大きく設定し過ぎると、光ファイバ１の母材を製造する際に、コア−クラッド間に生じる応力が大きくなり、その結果、旋盤等を用いて母材を加工する際に、母材が割れ易くなるという問題を生じ得る。比屈折率差Δ１を上記のように設定すれば、このような問題が生じ難くなる。また、ＳｉＯ２に対するＧｅＯ２の添加効率の観点からも、比屈折率差Δ１は４％以下であることが好ましい。

【0025】

なお、本実施形態においては、ゲルマニウムをアップドーパントとしてコア１１に添加する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ゲルマニウムの代わりにリン（Ｐ）をアップドーパントとしてコア１１に添加する構成を採用してもよいし、ゲルマニウムに加えてリンをアップドーパントとしてコア１１に添加する構成を採用してもよい。

【0026】

内側クラッド１２ａは、ダウンドーパントであるフッ素（Ｆ）とアップドーパントであるゲルマニウム（Ｇｅ）及びリン（Ｐ）とが添加された石英ガラスにより構成されている。内側クラッド１２ａに添加されたアップドーパントは、コア１１に添加されたアップドーパントの加熱拡散を促進するためのものである。内側クラッド１２ａに添加されたダウンドーパントは、内側クラッド１２ａに添加されたアップドーパントによる屈折率低下を相殺するためのものである。内側クラッド１２ａの屈折率分布は、図１の下段に示す一様分布であるか、又は、図１の下段に示す一様分布により近似される。内側クラッド１２ａの屈折率ｎ２ａは、図１の下段に示すように、後述する外側クラッド１２ｂの屈折率ｎ２ｂと実質的に同一になる。なお、内側クラッド１２ａの屈折率分布が完全な一様分布でない場合、内側クラッド１２ａの屈折率ｎ２ａとは、内側クラッド１２ａの屈折率の平均値のことを指す。内側クラッド１２ａの屈折率ｎ２ａと外側クラッド１２ｂの屈折率ｎ２ｂとから、Δ２＝｛（ｎ２ａ−ｎ２ｂ）／ｎ２ａ｝×１００により定義される量Δ２を、外側クラッド１２ｂに対する内側クラッド１２ａの比屈折率差と呼ぶ。

【0027】

内側クラッド１２ａに添加するダウンドーパント及びアップドーパントの濃度は、比屈折率差Δ２の絶対値｜Δ２｜が０．１％以下となるように設定されていることが好ましい。

【0028】

比屈折率差Δ２の絶対値｜Δ２｜が大きくなり過ぎると、コア１１と内側クラッド１２ａとの屈折率差が光ファイバ１の光学特性に無視できない影響を与える。例えば、比屈折率差Δ２を−０．１よりも小さくすると、内側クラッド１２ａによるコア１１への光の閉じ込めが強くなり、カットオフ波長が許容範囲の上限値を上回る。また、比屈折率差Δ２を０．１よりも大きくすると、内側クラッド１２ａによるコア１１への光の閉じ込めが弱くなり、曲げ損失が許容範囲の上限を上回るという問題を生じ得る。比屈折率差Δ２を上記のように設定すれば、このような問題が生じ難くなる。

【0029】

なお、本実施形態においては、フッ素をダウンドーパントとして内側クラッド１２ａに添加する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、フッ素の代わりにホウ素（Ｂ）をダウンドーパントとして内側クラッド１２ａに添加する構成を採用してもよいし、フッ素に加えてホウ素をダウンドーパントとして内側クラッド１２ａに添加する構成を採用してもよい。また、本実施形態においては、ゲルマニウム及びリンの両方をアップドーパントとして内側クラッド１２ａに添加する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、ゲルマニウムのみをアップドーパントとして内側クラッド１２ａに添加する構成を採用してもよいし、リンのみをアップドーパントとして内側クラッド１２ａに添加する構成を採用してもよい。

【0030】

外側クラッド１２ｂは、塩素（Ｃｌ）以外のドーパントが意図的に添加されていない石英ガラスにより構成されている。外側クラッド１２ｂの屈折率分布は、図１の下段に示す一様分布であるか、又は、図１の下段に示す一様分布により近似される。外側クラッド１２ｂを構成する石英ガラスには、アップドーパントもダウンドーパントも添加されていないので、外側クラッド１２ｂの屈折率ｎ２ｂは、純粋石英ガラスの屈折率１．４６と実質的に同一になる。なお、外側クラッド１２ｂの屈折率分布が完全な一様分布でない場合、外側クラッド１２ｂの屈折率ｎ２ｂとは、外側クラッド１２ｂの屈折率の平均値のことを指す。

【0031】

以上のように、光ファイバ１においては、内側クラッド１２ａにダウンドーパントが含まれている。このダウンドーパントは、（１）それ自身がコア１１に熱拡散することにより、コア１１の屈折率ｎ１を低下させると共に、内側クラッド１２ａの屈折率ｎ２ａを上昇させる作用と、（２）コア１１に添加されたアップドーパントの内側クラッド１２ａへの熱拡散を促進することにより、内側クラッド１２ａの屈折率ｎ２ａを上昇させる作用とを有する。総じて言うと、このダウンドーパントは、コア１１と内側クラッド１２ａとの屈折率差ｎ１−ｎ２ａを小さくする作用を有する。このため、光ファイバ１は、加熱によりコア径を拡大することが可能なＴＥＣ（Thermally-Diffused Expanded Core）ファイバとして機能する。

【0032】

〔コア径とコアΔとの好ましい組み合わせ〕
光ファイバ１におけるコア径とモードフィールド径との関係について、図２及び図３を参照して説明する。なお、光ファイバ１のコア径とは、コア１１の直径（図１におけるｒ１の２倍）のことを指す。以下では、光ファイバ１のコア径を記号Ｒで表す。また、光ファイバ１のモードフィールド径とは、光ファイバ１の断面における基本モードの強度分布に関して、光強度がピーク強度の１／ｅ^２倍（ピーク強度の０．１３５倍）になる領域の直径のことを指す。以下では、光ファイバ１のモードフィールド径を記号ωで表す。なお、モードフィールド径ωは、コア径Ｒよりも大きくなる。これは、コア１１を導波される光の一部が内側クラッド１２ａに浸み出しているためである。

【0033】

図２は、光ファイバ１におけるコア径Ｒとモードフィールド径ωとの関係を示すグラフである。図２の（ａ）に示すグラフは、コアΔを０．３％とした場合に得られたものであり、図２の（ｂ）に示すグラフは、コアΔを１．０％とした場合に得られたものであり、図２の（ｃ）に示すグラフは、コアΔを２．０％とした場合に得られたものであり、図２の（ｄ）に示すグラフは、コアΔを２．５％とした場合に得られたものである。なお、コアΔとは、クラッド１２の平均屈折率をｎ２として、Δ＝｛（ｎ１−ｎ２）／ｎ１｝×１００により定義される比屈折率差のことを指す。

【0034】

図２を参照することにより、以下のことが確かめられる。すなわち、コア径Ｒを大きくしていくと、あるコア半径Ｒ０を境にモードフィールド径ωが減少から増加へと転じる。換言すれば、コア径Ｒを大きくしていくと、あるコア半径Ｒ０を境に変化率ｄω／ｄＲの符号が負から正へと転じる。例えば、コアΔが０．３％である場合、コア半径Ｒ０＝７．９μｍを境に変化率ｄω／ｄＲの符号が負から正へと転じる。

【0035】

このため、方程式ω（Ｒ）＝ω０には、第１の解Ｒ＝Ｒａと第２の解Ｒ＝Ｒｂとが存在する（Ｒａ＜Ｒｂ）。換言すれば、モードフィールド径ωがω０となる光ファイバ１として、コア径ＲがＲａとなる第１の光ファイバ１とコア径ＲがＲｂとなる第２の光ファイバ１とが存在する。例えば、コアΔが０．３％である場合、モードフィールド径ωが４．３μｍとなる光ファイバ１として、コア径Ｒが２．５μｍとなる第１の光ファイバ１と、コア径Ｒが３．７μｍになる第２の光ファイバ１とが存在する。

【0036】

同一のモードフィールド径ωを有する２つの光ファイバ１のうち、コア径ＲがＲａである第１の光ファイバ１は、モードフィールド径の変化率ｄω／ｄＲの符号が負であることをもって特徴付けられる。また、同一のモードフィールド径ωを有する２つの光ファイバ１のうち、コア径ＲがＲｂである第２の光ファイバ１は、モードフィールド径の変化率ｄω／ｄＲの符号が正であることをもって特徴付けられる。

【0037】

図３は、モードフィールド径ωが４．３μｍとなる２つの光ファイバ１の電界分布を示すグラフである。図３に示すグラフは、コアΔを０．３％とした場合に得られたものである。図３において、実線で表したグラフは、変化率ｄω／ｄＲの符号が負になる光ファイバ１の電界分布を示し、点線で表したグラフは、変化率ｄω／ｄＲの符号が正になる光ファイバ１の電界分布を示す。なお、図３においては、ピーク強度を基準として電界強度を規格化することで得られる規格化電界強度を縦軸としている。

【0038】

図３を参照することにより、以下のことが確かめられる。すなわち、同一のモードフィールド径ωを有する２つの光ファイバ１では、電界分布の形状が異なる。具体的に言うと、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバ１では、コア１１への光の閉じ込めが弱く、内側クラッド１２ａに浸み出す光量が大きいのに対して、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバ１においては、コア１１への光の閉じ込めが強く、内側クラッド１２ａに浸み出す光量が小さい。

【0039】

ここで、光ファイバ１を他の光導波路に接続することを考える。光導波路には、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバ１と同様、コアへの光の閉じ込めが弱く、クラッドに浸み出す光量が多いものと、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバ１と同様、コアへの光の閉じ込めが強く、クラッドに浸み出す光量が少ないものとがある。他の光導波路との接続に際し、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバ１には、以下のメリットがある。（１）前者の光導波路と接続する際に、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバ１よりも高い結合効率が得られる。（２）後者の光導波路と接続する際に、コア径ＲがＲａからＲｂへと変化するまで加熱することによって、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバ１と同等の結合効率が得られる。

【0040】

しかしながら、変化率ｄω／ｄＲの符号を負にするためには、コア径Ｒ及びコアΔを小さくする必要がある。このため、小コア光ファイバ１には、曲げ損失が大きくなり易いというデメリットがある。したがって、小コア光ファイバ１の設計に際しては、曲げ損失が許容範囲の上限値を上回らないように注意して、コア径Ｒ及びコアΔを設定する必要がある。

【0041】

以下、低曲げ損失条件を満たすと共に、変化率ｄω／ｄＲの符号が負になるコア径Ｒ及びコアΔの組み合わせについて検討する。なお、低曲げ損失条件としては、下記の２つを考える。

【0042】

低曲げ損失条件１：曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下となる。

【0043】

低曲げ損失条件２：曲げ半径を５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下となる。

【0044】

図４は、変化率ｄω／ｄｒが０になるコア径ＲとコアΔとの組み合わせを実線でプロットし、曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎとなるコア径ＲとコアΔとの組み合わせを点線でプロットしたグラフである。図４において、変化率ｄω／ｄｒの符号が負になる領域は、実線で示すグラフよりも左下に位置する領域である。一方、低曲げ損失条件１を満たす領域は、点線で示すグラフよりも右上に位置する領域である。

【0045】

図４を参照することにより、以下のことが確かめられる。すなわち、コア直径Ｒが４．７μｍ以下であり、コアΔが０．７以上であれば、上述した２つの領域に共通部分（図４においてハッチングを付した領域）が存在する。換言すれば、コア直径Ｒが４．７μｍ以下であり、コアΔが０．７以上であれば、変化率ｄω／ｄｒの符号を負にすると共に、低曲げ損失条件２を満たすことができる。

【0046】

図５は、変化率ｄω／ｄｒが０になるコア径ＲとコアΔとの組み合わせを実線でプロットし、曲げ半径を５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎとなるコア径ＲとコアΔとの組み合わせを点線でプロットしたグラフである。図５において、変化率ｄω／ｄｒの符号が負になる領域は、実線で示すグラフよりも左下に位置する領域である。一方、低曲げ損失条件２を満たす領域は、点線で示すグラフよりも右上に位置する領域である。

【0047】

図５を参照することにより、以下のことが確かめられる。すなわち、コア直径Ｒが４．２μｍ以下であり、コアΔが０．９以上であれば、上述した２つの領域に共通部分（図４においてハッチングを付した領域）が存在する。換言すれば、コア直径Ｒが４．２μｍ以下であり、コアΔが０．９以上であれば、変化率ｄω／ｄｒの符号を負にすると共に、低曲げ損失条件２を満たすことができる。

【0048】

以上のように、本実施形態に係る光ファイバ１においては、コア１１コアの直径Ｒが４．７μｍ以下であり、外側クラッド１２ｂに対するコア１１のコアΔが０．７％以上であることが好ましい。これにより、コアの直径Ｒに対するモードフィールド径ωの変化率ｄω／ｄＲの符号を負にすると共に、曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下にすることができる。

【0049】

また、本実施形態に係る光ファイバ１においては、コア１１の直径Ｒが４．２μｍ以下であり、外側クラッド１２ｂに対するコア１１のコアΔが０．９％以上であることが好ましい。これにより、コア１１の直径Ｒに対するモードフィールド径ωの変化率ｄω／ｄＲの符号を負にすると共に、曲げ半径を５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下にすることができる。

【0050】

〔実施例１〕
本実施形態に係る光ファイバ１の実施例として、コア径Ｒ（コア１１の半径ｒ１×２）が２．４μｍであり、コアΔが２．２％であり、内側クラッド径（内側クラッド１２ａの外周半径ｒ２ａ×２）が１６μｍであり、外側クラッド径（外側クラッド１２ｂの外周半径ｒ２ｂ×２）が１２５μｍであり、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＡを作成した。光ファイバＡにおいて、波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径ωは、４．３μｍであった。また、光ファイバＡにおいて、曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失は、０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であった。

【0051】

また、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＡを、コア径Ｒが２．４μｍから４．０μｍへと変化するまで加熱することによって、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバＢを作成した。光ファイバＢにおいても、波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径ωは、４．３μｍであった。

【0052】

図６の（ａ）は、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＡの電界分布を示すグラフであり、図６の（ｂ）は、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバＢの電界分布を示すグラフである。図６の（ａ）及び図６の（ｂ）においては、スポット径が４μｍのシリコン光導波路Ｓの電界分布も併せて示している。なお、図６に示すグラフにおいて、「Horizontal」は、シリコン光導波路Ｓの基板面と平行な方向の電界分布を示し、「Vertical」は、シリコン光導波路Ｓの基板面と垂直な方向の電界分布を示す。

【0053】

図６の（ａ）と図６の（ｂ）とを比較すると、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＡの電界分布の方が、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバＢの電界分布よりも、シリコン光導波路Ｓの電界分布に近いことが分かる。

【0054】

変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＡとシリコン光導波路Ｓとの結合効率ηを下記の式（１）に従って算出したところ、η＝９５％となった。また、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバＢとシリコン光導波路Ｓとの結合効率ηを下記の式（１）に従って算出したところ、η＝８８％となった。このことから、光ファイバＡとシリコン光導波路Ｓとが空間結合された光デバイスの結合損失は、光ファイバＢとシリコン光導波路Ｓとが空間結合された光デバイスの結合損失よりも０．３ｄＢ小さくなることが分かった。

【0055】

【数1】

【0056】

〔実施例２〕
本実施形態に係る光ファイバ１の実施例として、コア径Ｒ（コア１１の半径ｒ１×２）が３．９μｍであり、コアΔが１．１％であり、内側クラッド径（内側クラッド１２ａの外周半径ｒ２ａ×２）が２８μｍであり、外側クラッド径（外側クラッド１２ｂの外周半径ｒ２ｂ×２）が１２５μｍであり、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＣを作成した。光ファイバＣにおいて、波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径ωは、６．１μｍであった。

【0057】

また、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＣを加熱することによって、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバＤを作成した。光ファイバＤにおいても、波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径ωは、６．１μｍであった。また、光ファイバＤにおいて、曲げ半径を７．５ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失は、０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であった。

【0058】

図７の（ａ）は、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＣの電界分布を示すグラフであり、図７の（ｂ）は、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバＤの電界分布を示すグラフである。図７の（ａ）及び図７の（ｂ）においては、スポット径が６μｍのシリコン光導波路Ｔの電界分布も併せて示している。なお、図６に示すグラフにおいて、「Horizontal」は、シリコン光導波路Ｔの基板面と平行な方向の電界分布を示し、「Vertical」は、シリコン光導波路Ｔの基板面と垂直な方向の電界分布を示す。

【0059】

図７の（ａ）と図７の（ｂ）とを比較すると、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバＤの電界分布の方が、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＣの電界分布よりも、シリコン光導波路Ｔの電界分布に近いことが分かる。

【0060】

変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバＤとシリコン光導波路Ｔとの結合効率ηを上記の式（１）に従って算出したところ、η＝９１％となった。また、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバＣとシリコン光導波路Ｔとの結合効率ηを下記の式（１）に従って算出したところ、η＝８４％となった。このことから、光ファイバＤとシリコン光導波路Ｔとが空間結合された光デバイスの結合損失は、光ファイバＣとシリコン光導波路Ｔとが空間結合された光デバイスの結合損失よりも０．４ｄＢ小さくなることが分かった。

【0061】

〔光デバイスとその製造方法〕
本実施形態に係る光ファイバ１は、他の光学素子と共に光デバイスを構成することができる。このような光デバイスの構成例を図８に示す。図８の（ａ）に示す光デバイス１０Ａは、本実施形態に係る光ファイバ１と、光ファイバ１に空間結合された半導体光導波路２と、を備えた光デバイスである。半導体光導波路２としては、例えば、スポットサイズ変換器を有するシリコン光導波路などが挙げられる。図８の（ｂ）に示す光デバイス１０Ｂは、本実施形態に係る光ファイバ１と、光ファイバ１に融着接続された汎用シングルモードファイバ３とを備えた光デバイスである。

【0062】

図８の（ａ）に示す光デバイス１０Ａは、下記の工程を含む製造方法を用いて製造することにより、効率的に量産することができる。

【0063】

工程１：半導体光導波路２を複数作成する。

【0064】

工程２：変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバ１を複数作成する。

【0065】

工程３：工程２にて作成した複数の光ファイバ１から選出した光ファイバ１を第１のサンプルとし、第１のサンプルの電界分布を測定する。

【0066】

工程４：工程２にて作成した複数の光ファイバ１から選出した別の光ファイバ１を加熱することにより得られた、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバ１を第２のサンプルとし、第２のサンプルの電界分布を測定する。

【0067】

上記の工程１〜４を実施した後、上記の工程１にて作成した複数の半導体光導波路２の各々について、下記の工程を実施する。

【0068】

工程５：半導体光導波路２の電界分布を測定する。

【0069】

工程６： 工程３にて測定した第１のサンプルの電界分布と、工程４にて測定した第２のサンプルの電界分布とのうち、どちらの電界分布が工程５にて測定した半導体光導波路２の電界分布に近いかを判定する。なお、２つの電界分布の遠近は、例えば、これら２つの電界分布の二乗誤差の大小に基づいて判定することができる。

【0070】

工程６にて第１のサンプルの電界分布の方が半導体光導波路２の電界分布に近いと判定された場合、下記の工程７を実施することにより光デバイス１０Ａを製造する。この場合、下記の工程８〜９は実施しない。一方、工程６にて第２のサンプルの電界分布の方が半導体光導波路２の電界分布に近いと判定された場合、下記の工程８〜９を実施することにより光デバイス１０Ａを製造する。この場合、下記の工程７は実施しない。

【0071】

工程７：工程１にて作成された、変化率ｄω／ｄＲの符号が負である光ファイバ１に半導体光導波路２を空間結合させる。なお、光ファイバ１に半導体光導波路２を空間結合させる前に、ファイバクリーバを用いて光ファイバ１の端面を平滑化する工程を実施してもよい。

【0072】

工程８：工程１にて製造された光ファイバ１を加熱することよって、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバ１を作成する。なお、光ファイバ１の加熱には、例えば、アーク放電型の融着接続装置を用いればよい。また、光ファイバ１を加熱する際のパワーは、汎用シングルモードファイバ同士を融着接続する際のパワーよりも低いことが好ましい。光ファイバ１を加熱する際のパワーが大き過ぎると、光ファイバ１に好ましくない外形変化が生じたり、光ファイバ１のコア径Ｒを所望の値に変化させることが困難になったりする可能性があるためである。

【0073】

工程９：工程８にて作成された、変化率ｄω／ｄＲの符号が正である光ファイバ１に半導体光導波路２を空間結合させる。なお、光ファイバ１に半導体光導波路２を空間結合させる前に、ファイバクリーバを用いて光ファイバ１の端面を平滑化する工程を実施してもよい。

【0074】

以上の製造方法を用いることによって、工程１にて作成される半導体光導波路２の電界分布にばらつきがある場合でも、結合効率の高い光デバイス１０Ａを効率的に量産することができる。

【0075】

なお、図８の（ｂ）に示す光デバイス１０Ｂは、光ファイバ１と汎用シングルモードファイバ３とを融着接続することによって製造することができる。光ファイバ１と汎用シングルモードファイバ３とを融着接続する際の熱により光ファイバ１のコア拡大が生じるため、光ファイバ１と汎用シングルモードファイバ３との境界において生じ得るモードフィールド径の不整合が軽減される。

【0076】

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、本明細書に開示した技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0077】

１ 光ファイバ
１１ コア
１２ クラッド
１２ａ 内側クラッド
１２ｂ 外側クラッド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】