JP2000356723A - 伝搬モード変換素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低損失で光結合可能な素子間の距離が大き
く、低コストで製造可能な光結合用の素子を提供する。 【解決手段】 中心の高屈折率の第一コア１１ａとその
外周上に設けられた低屈折率の第二コア１１ｂとを備え
たコア１１を有する光ファイバ１０の一方の端面１０ｂ
にむかって前記第一コア１１ａの外径が拡大する拡径部
１３が設けられ、この拡径部１３において、前記第一コ
ア１１ａを伝搬する光と前記第二コア１１ｂを伝搬する
光とをモード変換することにより、前記端面１０ｂから
出射するモード変換後の出射光が前記第一コア１１ａの
光軸と平行な平行光となるものであることを特徴とする
伝搬モード変換素子１０を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバを用いた
光通信システムに有効なフィルタ、光アイソレータ、偏
光子などの光部品の製造部品として、あるいは希土類添
加ファイバなどの特殊ファイバと通信用の単一モードフ
ァイバとの接続用に使用される伝搬モード変換素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】波長１．３μｍ、１．５μｍ帯を用いた
光通信システムに使用されている種々の光部品は、伝送
線路として使用される単一モード光ファイバとの低損失
な光結合が不可欠である。従来、信号光源として使用さ
れるレーザダイオードや、光アイソレータなどのバルク
型の光学部品においては、主にレンズを用いた光結合が
使用されている。

【０００３】図６は、光結合が必要なデバイスの例とし
て、従来のバンドパスフィルタの構成の一例を示したも
のである。すなわち、一方の端部を光源（図示せず）に
接続した単一モード光ファイバ１Ａの他方の端部から放
射状に出射する光は、レンズ２を介して単一モード光フ
ァイバ１Ａの光軸と平行な光となって誘電体多層膜フィ
ルタ３に供給される。すると、誘電体多層膜フィルタ３
の特性によって特定の波長の光のみが誘電体多層膜フィ
ルタ３を透過する。ついで、この誘電体多層膜フィルタ
３を透過した光は、レンズ２を介して単一モード光ファ
イバ１Ｂの端面に集光され、この単一モード光ファイバ
１Ｂに入射し、単一モード光ファイバ１Ａ，１Ｂ間の光
結合が行われる。

【０００４】このような従来の部品構成において、単一
モード光ファイバ１Ａから単一モード光ファイバ１Ｂへ
の光結合時の透過損失は１ｄＢ以下程度である。しかし
ながら、単一モード光ファイバ１Ａ，１Ｂとレンズ２と
の位置決めをサブミクロン単位の精度で行う必要があ
り、低価格な光部品の製造が困難となる場合があった。

【０００５】これに対して特開昭６３−３３７０６号公
報には、それぞれが一定の屈折率を有するコアとクラッ
ドとからなる単一モード光ファイバにおいて、正規化周
波数を一定に保ちつつ、コア径が徐々に拡大しているフ
ァイバ型光波回路素子が提案されている。このファイバ
型素子においては、光ファイバの正規化周波数は一定な
ので、コア径が拡大している部分においても単一モード
伝搬となり、基本モードと二次モード以上の高次モード
とのモード変換はほとんど発生しない。

【０００６】このファイバ型素子は、例えば、光ファイ
バを加熱し、コアに添加されているドーパントを拡散さ
せてコア径を拡大することによって製造する。そして、
このファイバ型素子をふたつ用意し、これらのコア径が
拡大している方の端面を、バルク型の光部品を介して対
峙させて、これらのファイバ型素子間で前記光部品を介
した光結合を行う。よって、このファイバ型素子におい
ては、上述のように光ファイバとレンズとの高精度の位
置決めの必要がない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このフ
ァイバ型素子においては、光ファイバの端面から光が放
射状に出射されるため、一対のファイバ型素子間におい
て、低損失で光結合が可能な距離は１００μｍ程度であ
った。したがって、ファイバ型素子間の距離が大きくな
ると低損失の光結合が困難となるという問題があった。
例えばバルク型の光部品のファイバ型素子の軸方向の長
さに対応する長さが１０ｍｍ程度になる場合には、適用
が困難であった。

【０００８】また、このファイバ型素子の製造において
は、コア径の拡大量、すなわちドーパントの拡散量の制
御に問題があった。つまり、このファイバ型素子におい
ては正規化周波数を保った状態でドーパントが拡散する
ため、常に単一モード伝搬が保証される。よって、コア
径が拡大しても透過光の光パワーは変化しにくく、透過
光の光パワーをモニタしても所望の特性を有するかどう
かは判定できない。そのため、拡散量の制御は加熱時の
温度と加熱時間という間接的なものとなる。ドーパント
の拡散速度は温度に非常に敏感であるため、同一の拡散
状態を再現するためには加熱炉などの正確な温度管理が
必要となり、コストが上昇し、低価格な部品製造の観点
で問題となっていた。

【０００９】本発明は前記事情に艦みてなされたもの
で、低損失で光結合可能な素子間の距離が大きい光結合
用の素子を提供することを課題とする。さらに、低コス
トで製造可能な光結合用の素子を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては以下のような解決手段を提案す
る。第１の発明は、中心の第一コアとこの第一コアの外
周上に設けられたこの第一コアよりも低屈折率の第二コ
アとを備えたコアと、このコアの周囲に設けられ、前記
第二コアよりも低屈折率のクラッドとを有する光ファイ
バからなり、この光ファイバの一方の端面にむかって前
記第一コアの外径が拡大するとともに、前記コアの屈折
率分布が連続的に変化する拡径部が設けられ、この拡径
部において、前記第一コアを伝搬する光と前記第二コア
を伝搬する光とをモード変換することにより、前記端面
から出射するモード変換後の出射光が前記第一コアの光
軸と平行な平行光となるものであることを特徴とする伝
搬モード変換素子である。第２の発明は、第１の発明の
伝搬モード変換素子において、拡径部のコアの屈折率分
布形状が、徐々にグレーデッド型に変化していることを
特徴とする伝搬モード変換素子である。第３の発明は、
第一コアがドーパントが添加された石英ガラスからなる
光ファイバを加熱して、このドーパントを拡散させてコ
ア径が拡大した拡径部を形成するにおいて、この第一コ
アに基本モードの光を入射し、その透過光の光パワーを
モニタし、この透過光の透過損失が増加した後、この透
過損失がゼロ付近になった時点で加熱を終了し、加熱部
の中心部を切断して拡径部の端面を形成することを特徴
とする第１の発明または第２の発明の伝搬モード変換素
子の製造方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は本発明の伝搬モード
変換素子の一例を示した斜視図、図１（ｂ）ないし図１
（ｄ）は、それぞれ図１（ａ）に示したＡ−Ａ、Ｂ−
Ｂ、Ｃ−Ｃの位置の屈折率分布形状を示したものであ
る。図中符号１０は光ファイバであり、この光ファイバ
１０は、図１（ｂ）に示したように、第一コア１１ａ
と、この第一コア１１ａの外周上に設けられ、この第一
コア１１ａよりも低屈折率の第二コア１１ｂとからな
る、階段状の屈折率分布を有するコア１１と、このコア
１１の周囲に設けられた、前記第二コア１１ｂよりも低
屈折率のクラッド１２とから構成されている。この例に
おいて、第一コア１１ａはドーパントとしてゲルマニウ
ムを添加した石英ガラスからなり、第二コア１１ｂは純
石英ガラスからなり、クラッド１２はドーパントとして
フッ素を添加した石英ガラスから形成されている。ドー
パントの添加量は第一コア１１ａ、第二コア１１ｂおよ
びクラッド１２相互間の比屈折率差によって調整され
る。

【００１２】この例においては、第一コア１１ａが略平
坦な屈折率分布を有している。また、第一コア１１ａ
は、１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯などの使用波長
帯において、単一モード伝搬を保証するカットオフ波長
を有するものである。第一コア１１ａの屈折率分布形状
は、この他１．５μｍ帯分散シフト光ファイバに一般的
に用いられている階段型コアなどを例示することができ
る。また、第一コア１１ａの外径、および第一コア１１
ａの屈折率分布形状と第一コア１１ａとクラッド１２と
の比屈折率差などによって決定される屈折率分布を調整
して、基本モードのモードフィールド径を、使用時また
はこの伝搬モード変換素子を用いたデバイス構成時に伝
搬モード変換素子に接続する通信用の単一モード光ファ
イバの基本モードのモードフィールド径と等しくする
と、接続損失を小さくすることができ、好ましい。

【００１３】また、第一コア１１ａと第二コア１１ｂと
の比屈折率差は０．２５％以上、好ましくは０．３％以
上、１％以下とされる。０．２５％未満の場合は基本モ
ードの曲がりによる損失増加が大きくなり、実質上問題
となり、１％をこえると通信用の単一モード光ファイバ
との接続損失が無視できなくなる。この例においては
０．３％である。

【００１４】第二コア１１ｂの外径は第一コア１１ａの
外径の３倍以上、１０倍未満とされる。３倍未満の場合
は第二コア１１ｂを設けた効果、すなわちスポットサイ
ズを拡大し、軸ズレに対して調芯が容易にできる効果が
なくなってしまい、また、通信用光ファイバとの接続時
に高次モードへの結合の可能性が高くなり、不要な損失
となるためであり、１０倍以上の場合はファイバ外径の
制約があるためである。この例において、第一コア１１
ａの外径は１０μｍ、第二コア１１ｂの外径は５０μ
ｍ、クラッド１２の外径は１２５μｍである。第二コア
１１ｂとクラッド１２との比屈折率差は０．１％以上と
される。０．１％未満の場合は第二コア１１ｂを設けな
い場合との差異がないためである。

【００１５】この光ファイバにおいては、基本モードの
モードフィールドの主要な部分は、主に中心の高屈折率
の第一コア１１ａに分布し、二次モードのモードフィー
ルドの主要な部分は主に第二コア１１ｂに分布する。

【００１６】そして、この光ファイバ１０一方の端部
に、端面１０ｂにむかって第一コア１１ａの外径が徐々
に拡大するとともに、コア１１の屈折率分布が連続的に
変化する拡径部１３が形成されて、この伝搬モード変化
素子１４が構成されている。拡径部１３は光ファイバ１
０を加熱し、第一コア１１ａに添加されたドーパントを
第二コア１１ｂに拡散させることによって形成したもの
である。

【００１７】すなわち、拡径部１３の第一コア１１ａの
外径が小さいＢ−Ｂにおいては第一コア１１ａ中のドー
パントがやや第二コア１１ｂに拡散して図１（ｃ）に示
したような屈折率分布形状となり、端面１０ｂのＣ−Ｃ
においては、第一コア１１ａのドーパントが第二コア１
１ｂにほとんど拡散し、第一コア１１ａと第二コア１１
ｂとが一体化し、コア１１は釣り鐘状、すなわち図１
（ｄ）に示したようなグレーデッド型の屈折率分布形状
となっている。つまり、拡径部１３においては、コア１
１の屈折率分布形状が階段型から徐々にグレーデッド型
に変化している。拡径部１３の第一コア１１ａの光軸と
平行な方向の長さは、拡径部１３の特性が後述するよう
に最適化されていれば特に限定せず、この例においては
５００μｍである。

【００１８】第一コア１１ａに添加されるドーパント
は、屈折率を上昇させる作用を有するゲルマニウムが主
に用いられるが、この他、リン、アルミニウムなどを例
示することができる。また、クラッド１２の屈折率を低
下させるドーパントは、フッ素以外にホウ素などを用い
ることができる。それらの添加量は第一コア１１ａとク
ラッド１２の比屈折率差などによって適宜調整する。こ
のような構造を形成するにおける各構成の材料は特に限
定するものではなく、クラッド１２を純石英ガラスから
構成し、第一コア１１ａと第二コア１１ｂをともにゲル
マニウムを添加した石英ガラスから構成することもでき
る。また、第一コア１１ａを純石英ガラスから構成し、
第二コア１１ｂをホウ素を添加した石英ガラスから構成
することもできる。

【００１９】図２は、伝搬モード変化素子１４の端面１
０ａから光を入射したときの基本モードの光の伝搬状態
を説明した模式図である。拡径部１３以外の部分におい
ては、第二コア１１ｂの外径が十分に大きいため、第１
コア１１ａに入射された基本モードは、第二コア１１ｂ
とクラッド１２との境界の影響を受けずに通常の単一モ
ード光ファイバと同様に第一コア１１ａを伝搬する。そ
して、拡径部１３に至り、第一コア１１ａの外径が第二
コア１１ｂの外径に近づくにしたがって、徐々にこの基
本モードと第二コア１１ｂを伝搬するモード（主に二次
モード）とのモード変換（モード間の結合）が生じ、基
本モードの一部が第二コア１１ｂに伝搬する二次モード
に分配される。

【００２０】このようなモード変換は単一モード光ファ
イバの端面にガラス製の分布屈折率ロッドレンズを設け
た場合と同じ作用である。分布屈折率ロッドレンズは、
円柱状で、かつ光軸に直交する方向あるいは光軸方向に
屈折率の変化（分布）を有するもので、屈折率の連続的
な変化によってレンズ作用をするものである。

【００２１】その結果、端面１０ｂから出射する光は、
後述するように拡径部１３を最適化することによって、
拡径部１３の透過時にレンズ作用を受けて第一コア１１
ａの光軸と平行な光（平行光）となる。そして、図５
（ｂ）に示したように、ふたつの伝搬モード変化素子１
４，１４を一対として、これらの拡径部１３，１３の端
面どうしが対峙するように配置すると、一方の拡径部１
３の端面１０ｂから出射した平行光は他方の拡径部１３
の端面１０ｂにて受光され、この拡径部１３において、
第二コア１１ｂを伝搬するモードから基本モードへの上
述とは逆のモード変換が生じ、伝搬モード変化素子１
４，１４間の光結合が行われる。

【００２２】このように、伝搬モード変化素子１４はひ
とつの部品でありながら、図６に示した単一モード光フ
ァイバとレンズとを組み合わせたものと同様の作用が得
られる。つまり、端面１０ｂから出射される光が平行光
であるため、ふたつの伝搬モード変換素子間を低損失で
光結合できる距離が長く、数十ｍｍ以上となる。しか
も、この伝搬モード変換素子は単一モード光ファイバと
レンズとを一体化した素子であるため、これらの高精度
の位置決めを必要とした従来のレンズを用いた構成と比
較して低コストとなる。さらに、この伝搬モード変換素
子は、第一コア１１ａが通信用の単一モード光ファイバ
のコアと同様の構成であるため、通信用の単一モード光
ファイバとの接続損失が小さい。

【００２３】図３はこの伝搬モード変換素子の製造方法
の一例を示したものである。図１、２に示したものと同
様の構成については同符号を付して説明を省略する。ま
ず、伝搬モード変化素子１４を構成する石英ガラスを主
材料とする光ファイバ１０の上に紫外線硬化型樹脂など
からなる被覆層１０ａが設けられた光ファイバ素線を用
意し、その途中の一部の被覆層を除去して光ファイバ１
０を露出させる。

【００２４】そして、光ファイバ１０（光ファイバ素
線）の一方の端部を単一モード光ファイバ１５を介して
光源と接続し、他方の端部を単一モード光ファイバ１５
を介して光パワーメータと接続する。一方、光ファイバ
１０を露出させた部分の両端部付近を、それぞれ支持台
１６，１６のＶ字状の溝１６ａ，１６ａに配置する。つ
いで、支持台１６，１６間の光ファイバ１０の側面を挟
むようにふたつの放電電極１８，１８を配置し、これら
の間で放電させることによって光ファイバ１０を加熱す
る。加熱方法は特に限定するものではなく、放電による
加熱の他、火炎、電気炉、レーザなどを用いることがで
きる。この操作は、光源から単一モード光ファイバ１５
を介して基本モードの光を光ファイバ１０に入射し、光
ファイバ１０を透過する光の光パワーを光パワーメータ
にてモニタしながら行う。

【００２５】光ファイバ１０を加熱すると、図５（ａ）
に示したように、加熱部分の第一コア１１ａのドーパン
トが拡散して第一コア１１ａの外径が拡大し、第二コア
１１ｂの外径に近づく。このとき光ファイバ１０の長さ
方向における加熱部分の中心が最もドーパントの拡散量
が大きく、この加熱部分の両端部に向かってドーパント
の拡散量が小さくなる。よって、加熱部分の中心におい
て、最も第一コア１１ａの外径の拡大量が大きく、第二
コア１１ｂの外径に最も近づき、加熱部分の両端部にむ
かって第一コア１１ａの外径が徐々に縮径する。この例
においては、加熱部分の中心の第一コア１１ａの外径は
第二コア１１ｂの外径とほぼ等しくなっている。すなわ
ち、光ファイバ１０を加熱すると、中心部の屈折率分布
形状は、図１（ｂ）から図１（ｄ）に示したように変化
するが、両端部は図１（ｂ）に示した形状にとどまって
いることになる。その結果、ふたつの円錐体の底面をつ
きあわせた形状の加熱拡散部（加熱部）２０が形成され
る。そして、後述するように光パワーをモニタした結果
から、透過損失がゼロ付近となった時点で加熱操作を終
了する。最後に、図５（ｂ）に示したように加熱拡散部
２０の中心で光ファイバ１０を切断し、一対の伝搬モー
ド変化素子１４，１４を得る。

【００２６】図４は、上述の光パワーのモニタ結果から
得られる加熱拡散部２０形成時の加熱拡散時間と光ファ
イバ１０の透過損失との関係を示したグラフである。加
熱開始時は、第一コア１１ａを伝搬する基本モードと第
二コア１１ｂを伝搬するモードとのモード変換が発生し
ないため、第二コア１１ｂとクラッドとの境界の影響を
受けず、透過損失の増加はほとんどないが、加熱拡散時
間が長くなるにしたがって徐々に透過損失の増加と減少
を繰り返すようになる。

【００２７】すなわち、図５（ａ）に示した加熱拡散部
２０において、はじめに基本モードの一部が第二コア１
１ｂを伝搬するモードにモード変換し、再びこのモード
に分配された光が基本モードにモード変換する。そし
て、このふたつのモード変換が最適化されている場合、
すなわち基本モードに再結合する際の位相差が整合する
場合は透過損失が小さくなり、ゼロ付近になるが、最適
化されていない場合、すなわち基本モードに再結合する
際の位相差が整合しない場合は透過損失が増大する。そ
して、この透過損失が小さくなるとき、図２に示したよ
うに拡径部１３側の端面１０ｂから出射される光は平行
光となる。

【００２８】よって、本発明の伝搬モード変換素子を製
造するにおいては、図４に示したグラフに矢印で示した
ように、はじめに透過損失が増大した後減少して、ゼロ
付近（０〜０．１ｄＢの範囲）となった時点で加熱拡散
を終了すると、本発明の伝搬モード変換素子の特性が得
られる。このグラフからわかるように、透過損失の増加
と減少は繰り返されるので、この矢印で示した時点より
も加熱拡散時間が長くなっても透過損失がゼロ付近とな
る時点が存在するが、効果に差異は少なく、また、製造
効率、コストなどの観点から、図４に示したように、は
じめにゼロ付近となった時点で終了すると好ましい。こ
のように本発明の伝搬モード変換素子は、製造時に光パ
ワーをモニタすることによって特性を制御できるため、
再現性が良好である。よって製造コストを低減すること
ができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の伝搬モード
変換素子は、ひとつの部品でありながら、従来の単一モ
ード光ファイバとレンズとを組み合わせたものと同様の
作用が得られ、ふたつの伝搬モード変換素子間を低損失
で光結合できる距離が長く、数十ｍｍ以上となる。しか
も、この伝搬モード変換素子は単一モード光ファイバと
レンズとを一体化した素子であるため、これらの高精度
の位置決めを必要とした従来のレンズを用いた構成と比
較して低コストとなる。また、この伝搬モード変換素子
は、製造時に光パワーをモニタすることによって特性を
制御できるため、再現性が良好で、製造コストを低減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１（ａ）は本発明の伝搬モード変化素子の
一例を示した斜視図、図１（ｂ）ないし図１（ｄ）は図
１（ａ）に示したＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃに示した位置
の屈折率分布形状を示した図である。

【図２】 図１（ａ）に示した伝搬モード変化素子の端
面から光を入射したときの基本モードの光の伝搬状態を
説明した模式図である。

【図３】 図１（ａ）に示した伝搬モード変換素子の製
造方法の一例を示した説明図である。

【図４】 本発明の伝搬モード変換素子製造時の加熱拡
散時間と光ファイバの透過損失との関係の一例を示した
グラフである。

【図５】 図５（ａ）、図５（ｂ）は本発明の伝搬モー
ド変換素子の製造途中の光ファイバを示した斜視図であ
る。

【図６】 従来のバンドパスフィルタの構成の一例を示
した説明図である。

【符号の説明】

１０…光ファイバ、１０ａ，１０ｂ…端面、１１…コ
ア、１１ａ…第一コア、１１ｂ…第二コア、１２…クラ
ッド、１３…拡径部、１４…伝搬モード変化素子、２０
…加熱拡散部（加熱部）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心の第一コアとこの第一コアの外周上
   に設けられたこの第一コアよりも低屈折率の第二コアと
   を備えたコアと、このコアの周囲に設けられ、前記第二
   コアよりも低屈折率のクラッドとを有する光ファイバか
   らなり、 この光ファイバの一方の端面にむかって前記第一コアの
   外径が拡大するとともに、前記コアの屈折率分布が連続
   的に変化する拡径部が設けられ、この拡径部において、
   前記第一コアを伝搬する光と前記第二コアを伝搬する光
   とをモード変換することにより、前記端面から出射する
   モード変換後の出射光が前記第一コアの光軸と平行な平
   行光となるものであることを特徴とする伝搬モード変換
   素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の伝搬モード変換素子に
   おいて、拡径部のコアの屈折率分布形状が、徐々にグレ
   ーデッド型に変化していることを特徴とする伝搬モード
   変換素子。
3. 【請求項３】 第一コアがドーパントが添加された石英
   ガラスからなる光ファイバを加熱して、このドーパント
   を拡散させてコア径が拡大した拡径部を形成するにおい
   て、この第一コアに基本モードの光を入射し、その透過
   光の光パワーをモニタし、この透過光の透過損失が増加
   した後、この透過損失がゼロ付近になった時点で加熱を
   終了し、加熱部の中心部を切断して拡径部の端面を形成
   することを特徴とする請求項１または２に記載の伝搬モ
   ード変換素子の製造方法。