JP2000502194A - 感光性ガラスを用いた調整可能光結合器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光結合器(10)は、結合領域(12)において互いに隣接している二つのファイバ(20,30)を有している。一方のファイバは、ゲルマニアのような感光性ガラスが添加されたクラッドを有している。感光性ガラスは、適切な放射線に曝されると、ファイバの屈折率を変更し、選択された結合周波数に結合器(110)を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】 感光性ガラスを用いた調整可能光結合器 本発明は、概して、結合器に関し、特に、感光性ガラスを用いて調整可能な導 波路光ファイバ結合器に関するものである。 背景 光導波路デルタ−ベータ結合器は、一方の光ファイバから他方の光ファイバ中 に光を結合させる少なくとも二つの光ファイバを有している。各々のファイバは 、コアおよびクラッドを備えている。結合器において、各々のファイバのクラッ ドは、選択された結合領域に沿って互いに接触している。一方のファイバからも う一方のファイバへの光の結合は、二つのファイバのクラッドが互いに密接して いる場合により効率的である。結合はまた、二つのコアおよびクラッドの相対的 なサイズに依存する。そのため、結合に選択された波長に依存して、等しいサイ ズのコアおよびクラッド、並びに等しくないサイズのコアおよびクラッドを有す ることが知られている。 結合器を形成している最中に、光ファイバのコアのサイズが実質的に減少させ られる。この形成の一部に、結合させる二つ以上の光ファイバのサイズを、ファ イバのうちの一つのサイズ位の直径にネックダウンさせる必要がある。このよう なネックダウンした結合器を形成する方法が、コーニング社に発行された米国特 許第4,799,949号および同第5,011,251号に示され、記載されている。 結合器の一部の屈折率を変更する技術が知られている。これらの技術には、特 に結合領域において、結合器を伸張したり曲げたりする工程が含まれる。ファイ バを伸張または曲げることにより、その屈折率を変更することが知られている。 そのため、機械的力を加えることにより、結合器を光スイッチ中に作成すること ができる。電磁界を結合領域に加えることによっても屈折率は変更される。しか しながら、加えられた機械的力または電磁界が除かれたときに、結合器は元の屈 折率に戻る。 ゲルマニアは、コアの屈折率を増加させるよく知られたドーパントである。ゲ ルマニアは、コアの屈折率よりも小さい屈折率を有するクラッドには通常用いら れない。ゲルマニアは、感光性ガラスでもあり、紫外線に曝された際にその屈折 率が変わる。ゲルマニアの後者の特性は、紫外線により処理されたコア領域を有 する光ファイバを用いるブラッグ格子において有用である。ブラッグ格子には、 所望のフィルタ波長（ガラス内の）の半分だけ間隔の離れた異なる屈折率の交互 の領域からなる波長選択性コアがある。このブラッグ格子は、一方のファイバか らの光をもう一方に結合しないが、むしろ、光の一つ以上の波長をろ波する。 結合器を精密に製造することは非常に困難である。ファイバ間の光の結合は、 コア中のドーパントの量、コアおよびクラッドのサイズ、ネックダウン工程中の ファイバの相対的サイズの減少量、結合領域の長さ等を含む、数多くの製造変数 に依存する。結合器は、一方のファイバから他方のファバに選択された波長の光 を正確に結合しなければ役に立たない精密素子である。しかしながら、ファイバ が製造された後、結合を永久的に変更して、製造欠陥を補正することができない 。したがって、連続的な機械的外力または加えられた電磁界に依存せずに製造欠 陥を永久的に補正できる結合器が長い間求められている。 概要 本発明は、永久的に変更できる波長調整可能光結合器を提供する。この調整可 能光結合器は少なくとも二つの光ファイバを有している。各々のファイバは、コ アとクラッドを有している。これらのファイバは、同一サイズのコアまたは異な るサイズのコアを有していてもよい。一方のファイバは、ゲルマニアが添加され たクラッドを有している。ゲルマニアは、選択された波長が一方のファイバから 他方のファイバに結合される結合領域におけるファイバのクラッド内に存在する 。結合領域における屈折率をさらに変更し、それによって、そのファイバを結合 に関して選択された波長に調整するために、結合領域内のゲルマニアを紫外線に 曝す。 本発明は、二つの入力および二つの出力を有する波長調整可能光導波路結合器 を提供する。これらのファイバは、異なる直径のコアを有していてもよい。クラ ッドの内の一つに選択される感光性ドーパントは、好ましくはゲルマニアである が、Ｃｅ³⁺、Ｅｕ⁺、Ｅｕ³⁺、ＴｉＯ₂、およびＰｒ³⁺からなる群より選択された 別の感光性ガラスであってもよい。 図面 図１は、調整可能結合器の部分図である。 図２は、図１の線２−２の部分に沿った結合器の断面図である。 図３は、等しくないコアおよびクラッドを有する結合器の部分断面図である。 図４は、図３のコアを有する結合器により得られた波長のシフトのグラフであ る。 図５は、ある製造方法に用いられるガラスプレフオームである。 図６は、図５のこのプレフォームの伸張を説明する図である。 図７および８は、切断したユニットを加熱してテーパー状の制御部分に伸張す ることを図示している。 図９は、結合器の斜視図である。 図１０は、内部に挿入される光ファイバを有する毛管の断面図である。 図１１および１２は、ファイバの端部を造形する工程を図示するものである。 図１３は、プレフォームをつぶして伸張する装置の図示するものである。 図１４は、図１３の装置により作成された結合器の図である。 詳細な説明 ここで図１に戻る。結合器10は、第一の光ファイバ20および第二の光フアイバ 30を備えている。二つのファイバ20および30は、結合領域12に亘り互いに接触さ せられている。光が、それぞれ、入力ポート21および31で結合器に入り、それぞ れ、出力ポート25および35から出る。入力ポート21に入る光は、第一の波長を有 し、Ａと称され、入力ポート31に入る光は、Ｂと称される異なる波長を有してい る。二つの波長Ａ，Ｂは、それそれのファイバに沿って結合領域12に進む。結合 領域12に入る際に、光Ｂは、光ファイバ30から光ファイバ20中に結合される。光 ファイバ20は、ゲルマニアのような感光性ガラスが添加されたクラッドを有して いる。結合器の製造において、光ファイバ30から光ファイバ20中への波長Ｂの光 の結合を最大限にするために、光ファイバ20および30の相対的な直径サイズ並び に結合領域12の長さを注意深く作成する。しかしながら、製造工程には、不一致 や差異が存在するので、波長Ｂの光のファイバ20中への結合を最大限にすること が常にできるわけではない。 本発明に関して、光ファイバ20に結合される波長Ｂの量を増大させるために、 結合器10は精密に調整されている。この結果を達成するために、光ファイバＡは 、ゲルマニアまたは他の適切な感光性ガラスが添加されたクラッドを有している 。ファイバ20中への光Ｂの結合の実際の量が一度分かれば、ファイバ20を、特に 結合領域12において、適切な放射線に曝すことにより、結合を増大させ、精密に 調整することができる。クラッド内にゲルマニアを有するファイバ20を紫外線14 に曝す。このような感光性クラッドの活性化放射線への露出により、光ファイバ 20内のクラッドの屈折率が変わる。光ファイバ20のクラッドの屈折率がこのよう に変わることにより、光ファイバ30から光ファイバ20中に結合される波長Ｂの光 の量が増大する。 本発明のある形態において、ファイバは、同一サイズのコアおよびクラッドを 有している。それそれのコア24と34およびクラッド22と32が同一サイズであるこ の実施の形態が、図２に示されている。しかしながら、異なるサイズのファイバ を用いて結合を向上させても差し支えないことが知られている。 ここで図３を参照する。この図面には、ファイバが異なるサイズとなっている 本発明の実施例が示されている。ファイバ40は15μｍの半径を有し、0.208パー セントと等しいΔを有している。第二のファイバ50は、12μｍの半径、および0. 220パーセントと等しいΔを有している。二つのファイバは、マトリクスガラス 内に囲まれて、30μｍ離れたそれそれの中心を有している。ファイバ50を紫外線 に曝した場合、ファイバ50の屈折率は、１×10^-2ほど大きくても差し支えないが 、効果を示すために１×10^-5以下であってもよい。紫外線へのこの露出の効果が 図４に示されている。ここでは、調整可能な波長が約５ｎｍだけシフトしたこと が明らかに分かる。 結合器10は、コ−ニング社に譲渡された米国特許第5,799,949号に記載されて いるような一つ以上の適切な工程により作成される。図５に示したように、結合 器プレフォーム110は、マトリクスガラスのブール116内に配置された、複数の平 行なコア112および113を備えている。プレフォーム110は、炉118（図６）内のト ラクタ17により延伸または伸張されて、多重コア結合ロッド120を形成する。ロ ッド 120は、適切な長さの多数のユニット121にスライスされる。伸張中に、プレフォ ーム110の頂部に真空掴み具119を取り付けてもよい。 次いで図７を参照する。各々のユニット121は、マトリクスガラスのブール116 '内にコア112'および113'を備えている。ユニット121の中央領域を熱源122によ り制御された熱環境に曝し、その間にこのユニットが伸張されて、図８に示した ような直径が減少した細長いまたはネックダウン中央領域123が形成される。ユ ニットの狭い軸領域に沿って加熱区域を提供できる熱源122は、火炎、レーザ等 であって差し支えない。 結合領域12を含むネックダウン領域123は、その一方の端部を他方に対して引 っ張ることにより、制御された張力がユニットに加えられている間に、熱源122 とユニット121との間の相対的な移動により形成される。これらの条件は、以下 のように満たされる。この記載の目的に関して、熱源は、ユニット121を囲み、 熱線をユニット121に向かって内側に方向付ける環状バーナーである。ユニット が環状バーナーを通って挿入された後、その端部が、台127および128にクランプ で留められる。台127および128は、それそれ、ネジ切シャフト129および130を回 転させることにより垂直に移動できる。これらのシャフトは、台のネジ切内腔を 通って延在する。シャフト129および130は、時間に関して速度が変化するように プログラムされたモータ（図示せず）に接続されている。バーナー122は、着火 され、最初に、点Ｃでユニツト121に向かって内側に環状の火炎を向ける。台128 は一定の速度で下方（矢印124）に移動し始め、台127は、やや速い速度で下方（ 矢印125）に移動し始める。台127の移動速度がより速いために、ユニット121が 、固定環状バーナー122を通って下方に移動しながら、細長くなる。台127の速度 は、バーナ−122の相対的位置がユニット121上の点Ｃから点Ｄまで移動しながら 線形に増加する。台127の速度は、バーナーの相対的位置が点Ｅに隣接するまで 、線形に減少する。この時点で、火炎を消し、両方の台の移動を停止させる。ネ ックダウンフェーズ中に、コア24と34（44と45）およびクラッド22と32（42と52 ）のそれそれの直径が減少させられる。内部コア24と34（44と45）は垂直に薄く なり、クラッドが、ネックダウン（結合）領域123（12）における元のファイバ2 0および30の残りの大部分となる。ユニット121を既知の技術にしたがってさらに 加工して、図９に示した 結合器10を提供する。 図７および８に示した方法により形成された素子10は、光導波路結合器として 機能する。コア24、34が互いに接触させられ、減少した直径を有するネックダウ ン（結合）領域12において、一方のコア内で伝搬する光が他方のコアに結合する 。結台領域12から離れると、コアは結合距離よりも大きい距離により隔てられて いるので、光は一方のコアから他方のコアに結合しない。非ネックダウン領域内 のファイバ20、30の直径は、ポート21、31、25、35に接続すべきファイバのサイ ズにより決定される。コアは、効果的な結合を得るために、結合領域12において 最小量だけ直径が減少されなければならない。 結合器10は、図１０−１４に示された方法により、または、特にコーニング社 に譲渡された米国特許第5,011,251号に記載された方法により形成してもよい。 この文献をここに引用する。被覆ファイバ917および918は、それぞれ、250μｍ のウレタンアクリルコーティング921および922を有する、直径が125μｍの単一 モード光ファイバ919および920を備えている。両方のファイバは、8.5パーセン トのＧｅＯ₂が添加されたシリカの８μｍの直径のコアを有している。一方のフ ァイバは、結合器10を調整するために、さらにＧｅＯ₂が添加されたインターク ラッドを有していた。 ファイバ917および918を、3.8ｃｍの長さ、2.8ｍｍの外径、および270μｍの 縦開口径を有するガラス毛管910中に挿入する。このガラス毛管910は、結合器10 のプレフォームである。プレフオーム910は、火炎加水分解工程により作成され 、６重量パーセントのＢ₂Ｏ₃および約１重量パーセントのフッ素が添加されたシ リカからなる。反対の端部にあるテーパー状の開口912および913は、毛管910の 端部を均一に加熱している間に毛管に気相エッチング剤ＮＦ₃を流動させること により形成する。 1.5メートルの長さの被覆ファイバ918の端部から、６ｃｍの長さ部分のコーテ ィングを除去した。ファイバの剥離領域の中心に火炎を向けて、ファイバの端部 を引っ張って切断して、テーパー状端部を形成した（図１１）。テーパー状端部 から離れたファイバ端部を反射率モニタ装置に接続した。テーパー状端部を縦軸 に沿ってゆっくりと右側に移動させた（火炎の明るい中央部分923のみが示され て いる図１１および１２に示されているように）。ファイバ920の先端がバーナー9 24の火炎923により加熱されたときに、ガラスを後退させ、丸い端面925（図１２ ）を形成した。この直径は好ましくは、元の非被覆ファイバの直径と等しいかま たはやや小さかった。反射能の現在の仕様は、−50ｄＢである。非被覆ファイバ の形成された長さは、約2.9ｃｍであった。 ここで図１３を参照する。毛管910が環状バーナ−934を通って挿入されている 。毛管910の対向する端部が、延伸掴み具932および933に留められている。掴み 具は、コンピュータにより制御されているモータ制御台945および946上に取り付 けられている。約3.2ｃｍのコーティングが、３メートルの長さのファイバ917の 中央領域から剥がされている。ファイバ917および918の非被覆部分を拭いて、少 量のエチルアルコールを毛管910中に噴射して、挿入中にファイバ917および918 を一時的に潤滑させる。 被覆ファイバ917を、その非被覆部分が毛管の端部915の下に位置するまで開口 911を通して挿入する。被覆ファイバ918の非被覆部分を被覆ファイバ917の非被 覆部分に隣接して保持し、両方を、被覆端部領域がテーパー状開口913内に押し 込まれるまで、毛管ベンド914に向かって互いに移動させる。次いで、被覆ファ イバ917の非被覆部分を端部表面914および915の間に配置する。被覆ファイバ917 の非被覆部分は好ましくは、開口911内の中央に位置している。ファイバ918の端 部925は、毛管910の端部表面914と中央領域927の間に位置している。ファイバを 真空取付器941および940に通す。次いで、これら取付器をプレフォーム910の端 部に取り付ける。クランプジョー944および944'によりプレフォーム910の上側部 分および下側部分を真空にする。ファイバ917の上側端部を、白色光源に結合し たモノクロメータに接続する。このモノクロメータを調節して、1310ｎｍの光の ビームを発生させる。ファイバ917の下側端部を、掴み具932および933の動きを 制御する装置の一部を形成する検出器に接続する。 水銀の10インチ（25.4ｃｍ）の真空を毛管開口に接続して、環状バーナー934 に着火する。装置の環状バーナー934の上の部分は、遮熱材935により保護されて いる。このバーナーにそれぞれ0.8ｓｌｐｍおよび0.85ｓｌｐｍの速度でガスと 酸素を供給することにより、約1800℃の火炎を発生させる。環状バーナー934か らの火 炎により、約25秒間に亘りプレフォーム910を加熱する。図１３に示すように、 マトリクスガラスをファイバ919および920上につぶす。その中央部分が結合器10 の結合領域を形成する中間領域927が、実質的にファイバ919および920の全長が 相互に接触する中実領域となる。 プレフォーム910が冷えた後に、ガスと酸素の両方の流量を0.9ｓｌｐｍまで上 昇させ、バーナーに再度着火する。約1900℃の温度を有する火炎により、つぶさ れた領域の中央をその軟化点まで加熱する。12秒後、バーナー934への酸素の供 給を停止する。中間領域927の中央部分が1.46ｃｍに伸張されるまで、台945おび 946を2.5ｃｍ／ｓｃｃの合計速度で反対方向に引っ張る。伸張後、火炎を消す。 一度の伸張操作で無色にするために、この長さを、結合器プレフォーム910を伸 張すべき長さよりわずかに短い長さまで増大させる。このファイバの端部を検出 器に接続できるように十分なパワーをファイバ918に結合させ、検出器の出力を ピークにした。 バーナー934へのガスおよび酸素の流量をそれそれ0.65ｓｌｐｍおよび0.6ｓｌ ｐｍに調節し、約1650℃の温度を有する幅広い火炎を発生した。火炎に着火した 12秒後に、酸素の流動を停止し、0.5ｃｍ／ｓｃｃの合計速度で台945および946 を反対方向に引っ張り、結合器プレフォーム910の長さを約0.02ｃｍだけ長くし た。この工程の最中に、ファイバ917および918から放出された光を1310ｎｍでモ ニタした。ファイバ917からの光パワーのファイバ918の光パワーに対する比率が 1.2となったときに、伸張操作が自動的に停止した。装置の運動量により伸張が 続いて、１のパワー比が達成され、それによって、1310ｎｍで等しい光パワーが ファイバ917および918から放出される。中間領域927の直径が、図１４の領域51 により示されているように、伸張操作により減少する。 結合器10が冷えた後、真空ラインを形成された結合器から除いて、熱硬化性接 着剤の数滴948および949を、シリンジから毛管のそれそれの端部914および915に 施す。接着剤を熱に曝して（矢印Ｈ）硬化させた後、結合器10を延伸装置から取 り出す。 本発明のゲルマニアクラッドファイバは、同時係属出願である米国特許出願（ 事件番号15725/8350）により詳しく記載されている。この開示の全てをここに 引用する。ゲルマニアに加えて、一方のファイバのクラッドとして、他の感光性 ガラスを用いてもよい。そのような他の感光性ガラスの例としては、限定するも のではないが、Ｃｅ³⁺、Ｅｕ²⁺、Ｅｕ³⁺、ＴｉＯ₂、およびＰｒ³⁺が挙げられる 。当業者には、クラッドに選択するゲルマニアの量は、光の方向を変えるまたは 光を反射させるためにコア内に通常用いられるゲルマニアのほんのわずかな量で あることが理解されよう。クラッド内に用いられるゲルマニアの量は、ゲルマニ アが紫外線に照射されるまで、結合器内の屈折率の変更にわずかしかまたはほと んど影響がないように十分である。そのため、ゲルマニアは、0.01重量パーセン トから50重量パーセントまでの範囲にあってよい。 結合器は、ゲルマニアが添加され、紫外線への露出により変更されるコアを有 する二つ以上のファイバからなっていてもよい。そのため、本発明は、紫外線に 曝されると、結合器内の少なくとも一つの光ファイバの屈折率を変更するゲルマ ニアを含有する結合器を包含する。特に、紫外線に曝されるゲルマニアは、クラ ッド、コア、または両方の内部にあってもよい。 このように本発明の好ましい実施の形態を開示してきたが、当業者には、さら なる修正、追加、および変更を、以下の請求の範囲に記載した本発明の精神およ び範囲から逸脱せずに本発明に行ってもよいことが理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．波長調整可能光導波路結合器であって、 少なくとも二つの光ファイバを備え、各々の光ファイバがコアおよびクラッ ドを有し、該二つの光ファイバが、一方のファイバ内の少なくとも一つの結合波 長の光が他方のファイバ中に結合されるような選択された距離で互いに近接し、 一方の光ファイバの少なくとも一部に、該一方のファイバのクラッドにより屈折 率を変更し、感光性ガラスが活性化放射線に曝されたときに光の結合波長に前記 結合器を調整するのに十分な量の感光性ガラスが添加され、十分な量の活性化放 射線を曝すことを特徴とする波長調整可能光結合器。 ２．前記一方の光ファイバのクラッドの少なくとも一部に感光性ガラスが添加さ れていることを特徴とする請求の範囲１記載の波長調整可能光結合器。 ３．前記一方の光ファイバのコアの少なくとも一部に感光性ガラスが添加されて いることを特徴とする請求の範囲１記載の波長調整可能光結合器。 ４．前記一方の光ファイバのクラッドの少なくとも一部およびコアの一部に感光 性ガラスが添加されていることを特徴とする請求の範囲１記載の波長調整可能光 結合器。 ５．前記感光性ガラスが、ＧｅＯ₂、Ｃｅ³⁺、Ｅｕ²⁺、Ｅｕ³⁺、ＴｉＯ₂、および Ｐｒ³⁺からなる群より選択されるものであることを特徴とする請求の範囲１記載 の波長調整可能光結合器。 ６．波長調整可能光導波路結合器であって、 少なくとも二つの光ファイバを備え、各々の光ファイバがコアおよびクラッ ドを有し、該二つの光ファイバが、一方のファイバ内の少なくとも一つの結合波 長の光が他方のファイバ中に結合されるような選択された距離で互いに近接し、 一方の光ファイバのクラッドの少なくとも一部に、該一方のファイバのクラ ッドにより屈折率を変更し、光の結合波長に前記結合器を調整するのに十分な量 の感光性ガラスが添加されていることを特徴とする波長調整可能光導波路結合器 。 ７．前記感光性ガラスをゲルマニアを含んでいることを特徴とする請求の範囲６ 記載の波長調整可能光導波路結合器。 ８．前記一方の光ファイバのクラッド内のゲルマニアが、0.01重量％から50重量 ％までを構成することを特徴とする請求の範囲７記載の波長調整可能光導波路結 合器。 ９．前記結合器が、二つの入力および二つの出力を有することを特徴とする請求 の範囲６記載の波長調整可能光導波路結合器。 10．前記感光性ガラスが、Ｃｅ³⁺、Ｅｕ²⁺、Ｅｕ³⁺、ＴｉＯ₂、およびＰｒ³⁺か らなる群より選択されるものであることを特徴とする請求の範囲６記載の波長調 整可能光導波路。 11．第一のコアおよび第一のクラッドを有する第一の光ファイバ、 第二のコアおよび第二のクラッドを有する第二の光ファイバ、および 前記二つのコアのクラッドが、一方の光ファイバから他方の光ファイバに結 合すべき光の選択された波長にしたがって選択された結台光に関して互いに隣接 している結合領域を備えている波長調整可能光導波路結合器において、 前記クラッドの少なくとも一つが、前記結合器の屈折率を変更し、前記結合 領域が紫外線に曝されたときに前記結合波長に該結合器の出力を調整するのに十 分な量のゲルマニアを有することを特徴とする波長調整可能光導波路結合器。 12．光結合器を選択された波長に調整する方法であって、 結合波長にしたがって選択された長さを有する結合領域において互いに隣接 した少なくとも二つの光ファイバを有し、一方の光ファイバが感光性ガラスの添 加されたクラッドを有する結合器を提供し、 前記添加されたクラッドを有する光ファイバを、該クラッドの屈折率を変更 し、それによって、前記選択された波長に前記結合器を調整するのに十分な放射 線に曝す各工程からなることを特徴とする方法。