JP2004226561A - 光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバ - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた光学特性（１．５５μｍ帯の結合特性）を実現しつつ、入出力光ファイバとの接続性に優れた（結合損失の小さい）、挿入損失が小さな融着延伸型の光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバを提供する。
【解決手段】１．５５μｍ帯用光ファイバ１１と０．９８μｍ帯用光ファイバ１２とを融着延伸してなる融着延伸部１５を有する光ファイバカプラであって、融着延伸部１５により融着延伸された後のそれぞれの光ファイバ１１，１２の伝搬定数の差は、１０−４以下であることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】１．５５μｍ帯用光ファイバ１１と０．９８μｍ帯用光ファイバ１２とを融着延伸してなる融着延伸部１５を有する光ファイバカプラであって、融着延伸部１５により融着延伸された後のそれぞれの光ファイバ１１，１２の伝搬定数の差は、１０−４以下であることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信分野、光計測分野等に用いられる光ファイバカプラに関し、特に波長域の離れた波長を合波・分波（以下、これらを合わせて合分波と称する。）するＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉ−ｐｌｅｘｅｒ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ，またはＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カプラに関し、優れた光学特性（合分波特性）を実現しつつ、入出力ファイバとの接続性に優れた（結合損失の小さな）光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光情報通信分野において多く用いられているＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器）の中で、増幅媒体（ＥＤＦ；エルビウム添加光ファイバ、もしくはこの中に含まれるＥｒ（エルビウム）とも言う。）を励起するために、１．４８μｍ付近及び／又は０．９８μｍ付近の波長を持つ光（励起光、ポンプ光（Ｐｕｍｐｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ）とも呼ぶ。）を入射する。この場合、増幅媒体（ＥＤＦ）中には、ＷＤＭカプラ（以下、光ファイバカプラと称する。）により、信号光（１．５５μｍ帯）を損なわずに０．９８μｍ付近の光を加える。
【０００３】
この光ファイバカプラには、融着延伸型ファイバカプラ、多層膜フィルタを用いたものなどがあるが、ここでは、融着延伸型の光ファイバカプラについて説明する。従来より用いられてきた０．９８μｍ帯−１．５５μｍ帯用光ファイバカプラには、０．９８μｍ用光ファイバ２本によって構成されたもの、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ用光ファイバを組み合わせて構成されたものが挙げられる。
【０００４】
なお、１．５５μｍ用光ファイバ中では、０．９８μｍの光（＝励起光）が単一モードで伝搬しないため、安定した特性を実現できない。このため、１．５５μｍ帯用光ファイバ２本による構成は用いられていない。
【０００５】
なお、光ファイバカプラの従来の技術として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３などがある。
【０００６】
【特許文献１】
ＵＳＰ４，８３４，４８１
【０００７】
【特許文献２】
ＵＳＰ４，５５６，２７９
【０００８】
【特許文献３】
ＵＳＰ４，８６９，５７０
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ用光ファイバの組み合わせによって構成された光ファイバカプラにあっては、融着延伸部における１．５５μｍ帯の光の伝搬定数が、それぞれの光ファイバにおいて異なる、いわゆる非対称カプラとなり、１．５５μｍ帯の光のパワーが１．５５μｍ帯用光ファイバから０．９８μｍ帯用光ファイバに１００％移行すること、すなわち、完全結合することができなくなる。すなわち、１．５５μｍ帯の挿入損失が大きくなる。
【００１０】
また、０．９８μｍ用光ファイバ２本によって構成された光ファイバカプラにあっては、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ帯（信号光）ポートとの接続性が悪くなる。１．５５μｍ用光ファイバと０．９８μｍ用光ファイバとの接続性について以下に詳細に説明する。
【００１１】
図２０は従来の光ファイバカプラの第１構成例を示す図である。図２１は従来の光ファイバカプラの第２構成例を示す図である。図２０に示す第１構成例は、励起光をＥＤＦ等の増幅媒体に対して、信号上流側から信号光と同じ方向に入射する方法、すなわち前方励起方式で用いられる接続方法である。
【００１２】
図２０に示す光ファイバカプラは、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１と０．９８μｍ帯用光ファイバ１３とを融着延伸してなる融着延伸部１５を有する。１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の一方のポートには上流側の信号線路である１．５５μｍ帯用光ファイバ２１から接続部Ａを介して信号光が入射され、０．９８μｍ帯用光ファイバ１３の一方のポートにはポンプ光光源である０．９８μｍ帯用光ファイバ２３から接続部Ｂを介してポンプ光が入射される。０．９８μｍ帯用光ファイバ１３の他方のポートからは、合波された０．９８μｍ帯のポンプ光と１．５５μｍ帯の信号光とが接続部Ｃを介してＥＤＦに入射される。即ち、この前方励起方式は、図２０中の矢印（→）で示すように、信号光とポンプ光が同じ向きで、同じ信号線路上流側からＥＤＦに入射される。なお、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の他方のポート１１ｐは使用されていない。
【００１３】
図２１に示す第２構成例は、後方励起方式で用いられる接続方法である。この後方励起方式は、図２１中の矢印（→）で示すように、ポンプ光が信号光と逆向きに、信号線路の下流側からＥＤＦに入射される。この２種類の励起方式以外に、ＥＤＦの信号上流・下流両側から励起光を入射する双方向励起方式もあるが、この方式では、ＥＤＦの信号上流側と信号下流側の両方に光ファイバカプラを配置するが、前者は前方励起方式と同様の使い方、後者は後方励起方式と同様の使い方をする。
【００１４】
ここで、光ファイバカプラ用の光ファイバを０．９８μｍ帯用に統一した場合には、図２０及び図２１中の接続部Ａでは、１．５５μｍ帯用光ファイバ２１と光ファイバカプラ用の０．９８μｍ帯用光ファイバが接続される。ここで、接続点においてＭＦＤ（モードフィールド径）のミスマッチにより、比較的大きな接続損失が生じる。
【００１５】
なお、光ファイバ中を伝搬する光の電磁界の強度分布は、多くの光ファイバにおいてガウス分布で良く近似できる強度分布を有しており、ＭＦＤは、光ファイバ中を伝搬する光の電磁界の強度分布の最大値の１／ｅ２（ｅ＝２．７１…、自然対数の底）となる部分の直径をいう。このＭＦＤは接続損失を決定する重要なファクタである。ＭＦＤが等しい光ファイバ同士を接続する場合は、接続損失は非常に小さくすることが可能であるが（理想的な状況では損失＝０、すなわち無損失）、ＭＦＤの異なる光ファイバ同士を接続する場合は、ＭＦＤの差が大きいほど接続損失は大きくなる。前記接続損失は、約０．２ｄＢ〜０．３ｄＢと大きく、光部品の用いられる通信システムにおける伝送品質の観点から好ましくない。
【００１６】
このような観点から、光ファイバカプラにおいて、接続性（接続損失の低減）を考慮すると、１．５５μｍ帯の光を入射するポート（後方励起方式の場合は１．５５μｍ帯が出射されるポート）に用いる光ファイバカプラ用の光ファイバは、図２１及び図２２に示すように、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１とすることが望ましい。
【００１７】
本発明は、優れた光学特性（１．５５μｍ帯の結合特性）を実現しつつ、入出力光ファイバとの接続性に優れた（結合損失の小さい）、挿入損失が小さな融着延伸型の光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、互いに波長帯が異なる複数本の光ファイバを融着延伸してなる融着延伸部を有する光ファイバカプラであって、前記融着延伸部により融着延伸された後のそれぞれの光ファイバの伝搬定数の差は、１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下であることを特徴とする。
【００１９】
請求項１の発明によれば、それぞれの光ファイバの伝搬定数の差を、１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下とすることにより、複数本の光ファイバのモードが相互に結合する最大結合度が極力１となるので、優れた光学特性（結合特性）を実現でき、挿入損失が小さくなる。
【００２０】
請求項２の発明は、互いに波長帯が異なる複数本の光ファイバを融着延伸してなる融着延伸部を有する光ファイバカプラであって、前記複数本の光ファイバの内の１つの光ファイバは、０．９８μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであり、第１コアと、この第１コアの周囲に配置された第２コアと、この第２コアの周囲に配置されたクラッドとを有し、前記第２コア半径は１０μｍ以上であり、前記第２コアと前記クラッドとの比屈折率差は０．１％以下であることを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明によれば、０．９８μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバに第２コアを設け、第２コア半径を１０μｍ以上とし、第２コアとクラッドとの比屈折率差を０．１％以下としたので、伝搬定数の差が１０−４以下となり、優れた光学特性（結合特性）を実現でき、挿入損失が小さくなる。
【００２２】
請求項３の発明に係る光ファイバカプラでは、前記第１コアの比屈折率差は、０．７０％〜０．９０％の範囲内であることを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明によれば、１．５５μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバのコアの比屈折率差を０．３５％付近である場合、０．９８μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバの第１コアの比屈折率差を０．７０％〜０．９０％の範囲内とすることにより、伝搬定数の差が１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下となり、優れた光学特性（結合特性）を実現でき、挿入損失が小さくなる。
【００２４】
請求項４の発明に係る光ファイバカプラでは、前記第１コアの比屈折率差は、０．６０％〜０．８０％の範囲内であることを特徴とする。
【００２５】
請求項４の発明によれば、１．５５μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバのコアの比屈折率差を０．３０％付近である場合、０．９８μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバの第１コアの比屈折率差を０．６０％〜０．８０％の範囲内とすることにより、伝搬定数の差が１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下となり、優れた光学特性（結合特性）を実現でき、挿入損失が小さくなる。
【００２６】
請求項５の発明に係る光ファイバカプラでは、前記複数本の光ファイバの内の他の１つの光ファイバは、１．５５μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであることを特徴とする。
【００２７】
請求項６の発明は、０．９８μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであって、第１コアと、この第１コア上に配置された第２コアと、この第２コア上に配置されたクラッドとを有し、前記第２コア半径は１０μｍ以上であり、前記第２コアの比屈折率差は０．１％以下であることを特徴とする。
【００２８】
請求項７の発明に係る光ファイバカプラ用光ファイバでは、前記第１コアの比屈折率差は、０．７０％〜０．９０％の範囲内であることを特徴とする。
【００２９】
請求項８の発明に係る光ファイバカプラ用光ファイバでは、前記第１コアの比屈折率差は、０．６０％〜０．８０％の範囲内であることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバの実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
まず、本出願人の発明者等は、光ファイバの屈折率プロファイルを改良することにより、０．９８μｍ帯用光ファイバとしての特性（０．９８μｍ帯で単一モードであり、かつ０．９８μｍ帯用光ファイバとの接続性に優れる）を維持しつつ、融着延伸することにより１．５５μｍ帯用光ファイバとの結合度が十分大きな光ファイバを発明するに至った。
【００３２】
以下、このような光ファイバに関して理論を述べた上で、計算による検討結果について説明する。
【００３３】
（ａ）対称カプラ・非対称カプラそれぞれの結合度について
まず、対称カプラ・非対称カプラそれぞれの結合度について説明する。ここでは、同方向方向性結合器の理論の要点のみを説明する。
【００３４】
２つの導波路Ｉ，ＩＩを互いに近づけた場合、各々の導波路のモードは、相互に結合する。この結合の最大値を決めるパラメータＦは、式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
ここで、δは導波路Ｉ，ＩＩそれぞれの固有モードの伝搬定数βの差であり、式（２）で表される。β１は導波路Ｉにおける伝搬定数であり、β２は導波路ＩＩにおける伝搬定数である。
【００３６】
【数２】
また、κは導波路Ｉ，ＩＩの結合定数であり、式（３）で表される。
【００３７】
【数３】
本発明の目的が、０．９８μｍ帯を結合させないような状況で、１．５５μｍ帯の信号波を低損失で結合させる（即ち、挿入損失を小さくする。）ことにあるので、１．５５μｍ帯での最大結合度は、極力１とする必要がある。即ち、式（１）に示すパラメータＦを極力１とする必要がある。パラメータＦを１とするためには、それぞれの導波路Ｉ，ＩＩを延伸後の状態で、式（１）からわかるように、それぞれの導波路Ｉ，ＩＩの伝搬定数差を結合定数κに比べて充分に小さくする必要がある。
【００３８】
融着延伸型の光ファイバカプラの場合、結合定数κは、強融着であれば、１０−４〜１０−２［ｒａｄ／μｍ］程度であり、弱融着であれば、１０−７〜１０−５［ｒａｄ／μｍ］程度となることが簡単な計算から求められる。このため、強融着を前提とした場合（融着条件にもよるが）、１．５５μｍ帯の信号波を低損失で結合させるためには、光ファイバカプラの０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ用光ファイバとのδを、１０−５〜１０−３［ｒａｄ／μｍ］程度とすれば良い。
【００３９】
（ｂ）０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ用光ファイバを融着延伸した場合の伝搬定数とその差について
図５は１．５５μｍ帯用光ファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ． ＳＭＦ２８相当）と０．９８μｍ帯用光ファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．ＣＳ９８０相当）を融着無しで１本の光ファイバのまま延伸した場合（即ち、加熱して引っ張り細くした場合）における１．５５μｍの導波モードの伝搬定数βの変遷の計算結果を示す図である。横軸は、延伸により光ファイバが元の状態からどれだけ細くなったかを示す延伸率を表す。延伸率１００％とは延伸していない光ファイバを表わし、延伸率５０％とは、延伸した結果、光ファイバの外径が元の半分（６２．５μｍ）になったものを表わす。
【００４０】
図５ではそれぞれのファイバの伝搬定数βを表し、図６では２つの導波路の伝搬定数βの差（上記δの２倍の値）を表わす。図６からわかるように、延伸率７５％付近でδは一旦零となるが、この前後ではδは非零の値を持つ。このことから、０．９８μｍ帯用光ファイバ（ＣＳ９８０相当）と１．５５μｍ帯用光ファイバ（ＳＭＦ２８相当）は、延伸率７５％付近でのみδ＝０、すなわち完全結合する条件を有することがわかる。
【００４１】
しかし、δ＝０なる点はこの１点のみであることから、製造トレランスが小さいことが予想される。また、このグラフは、長波→延伸率小（光ファイバが細い）、短波→延伸率大（光ファイバが太い）と読み換えられるため（２本の導波路間でのモード結合は長波側の方が強いため、定性的にはこのような読み替えは有効である。）、挿入損失が大きな波長依存性を持つこともわかる。これはＷＤＭカプラの特性として好ましくない。これは、１．５５μｍ帯（信号帯域）全体で波長特性が平坦で且つ結合度が可能な限り１に近いものでないと、１．５５μｍ帯の挿入損失およびその波長依存性は、充分に小さく且つ平坦なものにならないからである。即ち、製造時の融着延伸の条件内で、２種の光ファイバの伝搬定数βの延伸率依存性（もしくは波長依存性）が、同じ絶対値を持ち、且つ等しい傾きを持つこと、すなわち接することが理想的な状況であると言える。
【００４２】
（Ａ）実施の形態に係る光ファイバカプラの実施例
（ａ）（ｂ）に説明した内容を踏まえた上で、０．９８μｍ帯用光ファイバの屈折率プロファイルを改良することにより、１．５５μｍ帯用光ファイバとの結合度を向上させた光ファイバカプラの実施例について説明する。
【００４３】
図１は実施の形態に係る異種光ファイバからなる光ファイバカプラの模式図である。図１では、０．９８μｍ帯用光ファイバと１．５５μｍ帯用光ファイバ（ＳＭＦ２８相当）とからなる０．９８／１．５５μｍ光ファイバカプラの模式図を示している。図１に示した入射光・出射光の向きは前方励起のものである。なお、後方励起の場合、１．５５μｍの信号光の進み方は逆となる。
【００４４】
ここで、融着条件によっても異なるが、極端な強融着で無い限り、０．９８μｍ帯の光はクロスポートに結合しないと言って差し支えないため（アスペクト比１．１〜１．２となるような条件で、０．９８μｍ帯の光の結合定数は、１．５５μｍ帯の結合度と比較して２〜３桁小さい。）、ここでは０．９８μｍ帯の結合については言及しない。ここでは、１．５５μｍ帯の結合度の最適化を図ることにする。
【００４５】
なお、ここで言う融着条件とは、光ファイバカプラの融着延伸部の延伸率、延伸長（融着延伸部の長さ）、延伸部のテーパ形状、アスペクト比（図２２に示す融着延伸部１５の断面における長軸の長さｂと短軸の長さａとの比率ｂ／ａ）といった諸条件を指す。
【００４６】
２本の光ファイバを接した状態で、ガラスの軟化点温度付近まで加熱すると、クラッド表面の互いに接している部分から、２本のファイバは接合される（図２３に示す融着延伸部１５ａ）。さらに、加熱を続けると、クラッド表面の表面張力等の作用で、２本の光ファイバの間の溝は浅くなって行き、コアとコアの距離が近くなって行く（図２３に示す融着延伸部１５ｂ，１５ｃ）。最終的には２本の光ファイバの間の溝は完全に無くなり、断面がほぼ真円の形状となる（図２３に示す融着延伸部１５ｄ）。この作用を大きく働かせた場合を強融着と呼び、逆にこの作用が小さい場合を弱融着と呼ぶ。従って、図２３に示すように、弱融着の場合はアスペクト比は大きく（最大でｂ／ａ＝２）、強融着の場合はアクペクト比は小さくなる（最小でｂ／ａ＝１）。また、図２３に示すように、弱融着の場合は同じ延伸率で比較した場合における結合度の波長依存性は大きく、強融着の場合は結合度の波長依存性は小さくなる。また、図２３に示すように、弱融着の場合は同じ延伸率で比較した場合における結合度（絶対値）は小さく、強融着の場合は結合度は大きくなる。
【００４７】
実際に光ファイバカプラを作製する際は、加熱温度や印加張力、引っ張り速度等の製造条件を調整して、最適な形状を得ている。
【００４８】
図１に示す光ファイバカプラは、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１と０．９８μｍ帯用光ファイバ１２とを融着延伸してなる融着延伸部１５を有する。１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の一方のポートには上流側の信号線路である１．５５μｍ帯用光ファイバ２１から接続部Ａを介して信号光が入射され、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２の一方のポートにはポンプ光光源である０．９８μｍ帯用光ファイバ２３から接続部Ｂを介してポンプ光が入射される。０．９８μｍ帯用光ファイバ１２の他方のポートからは、合波された０．９８μｍ帯のポンプ光と１．５５μｍ帯の信号光とが接続部Ｃを介してＥＤＦに入射される。なお、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の他方のポート１１ｐは使用されていない。
【００４９】
１．５５μｍ帯用光ファイバ１１は、図２に示すように、ステップインデックス型の屈折率プロファイルを持つ光ファイバで、図２（ｂ）に示すように第１コア３１と第１コア３１の周囲に配置されたクラッド３３とを有する。０．９８μｍ帯用光ファイバ１２は、図３（ｂ）に示すように、第１コア３１と第１コア３１の周囲に配置された第２コア３２と第２コア３２の周囲に配置されたクラッド３３とを有する。
【００５０】
図２（ａ）及び図３（ａ）において、ｎｃｌａｄはクラッド３３の屈折率を表し、ｎ（１）は第１コア３１の屈折率を表し、ｎ（２）は第２コア３２の屈折率を表す。ｒｃｌａｄはクラッド３３の半径を表し、ｒ（１）は第１コア３１の半径を表し、ｒ（２）は第２コア３２の半径を表す。Δ（１）は第１コア３１とクラッド３３との屈折率の差である比屈折率差を表す。Δ（２）は第２コア３２とクラッド３３との屈折率の差である比屈折率差を表す。比屈折率差Δは式（４）で表される。比屈折率差は一般に１に比べてきわめて小さい値であるので、通常１００倍して％で表す。
【００５１】
【数４】
なお、式（４）において、ｘは１又は２であり、第ｘコアを表す。
【００５２】
０．９８μｍ帯用光ファイバ１２は、第２コア３２を設けることによってプロファイルを改良（変更）して、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２と１．５５μｍ帯用光ファイバ１１との伝搬定数差の低減を図っている。
【００５３】
（Ａ−１）光ファイバのプロファイルの変更による伝搬定数差の低減
以下、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２のプロファイルの変更により伝搬定数差が低減できる理由について説明する。
【００５４】
まず、本発明者等は、各種光ファイバを１本のまま延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算を行なったので、その計算結果を図７から図１１に示す。また、図４に伝搬定数βの計算に用いた各種光ファイバの諸元を表したテーブルを示す。
【００５５】
図７は１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ、ＳＭＦ２８相当品）及びその類似の光ファイバを延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が４．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．３〜０．５５％である。図８は０．９８μｍ帯用のＣＳ９８０相当品及びその類似の光ファイバを延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が２．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．６〜１．００％である。
【００５６】
図９は改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が２．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．６〜１．００％であり、第２コア半径ｒ（２）が２０μｍであり、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）が０．１％である。
【００５７】
図１０は改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が２．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．６〜１．００％であり、第２コア半径ｒ（２）が２０μｍであり、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）が０．０２％である。
【００５８】
図１１は改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が２．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．６〜１．００％であり、第２コア半径ｒ（２）が１０μｍであり、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）が０．０２％である。
【００５９】
図７〜図１１に示す各光ファイバとも、数種類の比屈折率差Δについて計算したが、これは延伸時の加熱による光ファイバのプロファイルの変化（ダレ、元素の熱拡散などによる）を考慮するためである。
【００６０】
なお、ここでは、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ帯用光ファイバが延伸率５０％付近〜１０％で絶対値が異なる（０．９８μｍ用光ファイバの方が若干小さい）が、よく似た傾きを持つ。このため、前述した（ａ）（ｂ）の内容を踏まえて考えると、このカーブを上下方向（伝搬定数βの絶対値の方向）にシフトさせることで、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβを低減できるので、前記カーブを上下方向にシフトさせるために、光ファイバのプロファイルの変更を検討した。
【００６１】
伝搬定数βを大きくするためには、光ファイバ全体（特にクラッド）の屈折率を大きくすれば良い。しかし、光ファイバの機械的信頼性、耐環境特性等を考慮すると、光ファイバの最外層は純粋石英であることが好ましい。屈折率を調整するために他の元素を添加すると、一般的に機械的強度や耐環境特性は劣化する。このため、ここでは、０．９８μｍ帯用光ファイバの第１コア３１の周囲にクラッド３３よりも屈折率の高い領域として第２コア３２を設けるようにした。
【００６２】
（Ａ−２）伝搬定数差Δβの低減の実施例１
次に、図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図８乃至図１１に示す各々の０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を求めたので、これらを図１２乃至図１５に示す。
【００６３】
図１２は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図８に示す０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。図１３は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図９に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【００６４】
図１４は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図１０に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。図１５は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図１１に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【００６５】
図１２に示すように、改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）（第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．８％であり、第２コア半径ｒ（２）が２０μｍであり、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）＝０．０２％である。）において、延伸率５０％以下の範囲で伝搬定数差Δβが１０−４以下となることがわかる。このような状況で、１．５５μｍクロスポートの挿入損失を小さくできる。
【００６６】
また、延伸率５０％以下の範囲で、伝搬定数差Δβが１０−４であるようにするためには、第２コア半径ｒ（２）は、少なくとも１０μｍより大きくなければならず、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）は少なくとも０．１％より小さくなければならないことがわかる。さらに、融着延伸する際に、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２と組み合わせて用いる１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．３５％の場合、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２の第１コア３１の比屈折率差Δ（１）は０．７０％〜０．９０％の範囲内になければならないこともわかる。
【００６７】
（Ａ−３）伝搬定数差Δβの低減の実施例２
また、図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図８乃至図１１に示す各々の０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を求めたので、これらを図１６乃至図１９に示す。
【００６８】
図１６は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図８に示す０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。図１７は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図９に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【００６９】
図１８は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図１０に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。図１９は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図１１に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【００７０】
図１９に示すように、改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）（第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．７％）の場合に、延伸率５０％以下の範囲で伝搬定数差Δβが１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下となることがわかる。この場合も、延伸率５０％以下の範囲で、伝搬定数差Δβが１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下であるようにするためには、第２コア半径ｒ（２）は少なくとも１０μｍより大きくなければならず、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）は少なくとも０．１％より小さくなければならないことがわかる。さらに、融着延伸する際に、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２と組み合わせて用いる１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．３０％の場合、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２の第１コア３１の比屈折率差Δ（１）は０．６０％〜０．８０％の範囲内になければならないこともわかる。
【００７１】
以上のように、１．５５μｍ帯用単一モード光ファイバと改良型０．９８μｍ帯用光ファイバで構成された、低損失な０．９８／１．５５μｍ光ファイバカプラを実現することができる。
【００７２】
なお、以上は、融着延伸後の光ファイバのプロファイルでの計算結果であり、実際に光ファイバを設計する際には、延伸時の加熱によるプロファイルの変化（ダレ）を考慮する必要がある。また、結合させる（組み合わせる）ＳＭＦのプロファイルにより、改良ＣＳＦの最適プロファイルも変わるので、これらを考慮して設計する必要がある。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた光学特性（１．５５μｍ帯の結合特性）を実現しつつ、入出力光ファイバとの接続性に優れた（結合損失の小さい）、挿入損失が小さな融着延伸型の光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る異種光ファイバからなる光ファイバカプラの模式図である。
【図２】ステップインデックス型の光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図３】第２コアを有する光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図４】各種光ファイバの諸元を表したテーブルを示す図である。
【図５】１．５５μｍ帯用光ファイバと０．９８μｍ帯用光ファイバを融着無しで１本の光ファイバのまま延伸した場合における１．５５μｍの導波モードの伝搬定数βの変遷を、ｘ偏波・ｙ偏波それぞれについて計算した結果を示す図である。
【図６】図５に示す２つの導波路の伝搬定数βの差を、ｘ偏波・ｙ偏波のそれぞれについて表わす図である。
【図７】１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ、ＳＭＦ２８相当品）及びその類似の光ファイバを延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図８】０．９８μｍ帯用のＣＳ９８０相当品及びその類似の光ファイバを延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図９】改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図１０】改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図１１】改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図１２】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図８に示す０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１３】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図９に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１４】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図１０に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１５】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図１１に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１６】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図８に示す０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１７】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図９に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１８】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図１０に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１９】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図１１に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図２０】従来の光ファイバカプラの第１構成例を示す図である。
【図２１】従来の光ファイバカプラの第２構成例を示す図である。
【図２２】融着延伸部の断面における長軸の長さと短軸の長さとの比率を表すアスペクト比を示す図である。
【図２３】アスペクト比の大きさと強融着及び弱融着との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１ １．５５μｍ帯用光ファイバ
１２，１３ ０．９８μｍ帯用光ファイバ
１５ 融着延伸部
２１ １．５５μｍ帯用光ファイバ（信号線路）
２３ ０．９８μｍ帯用光ファイバ（ポンプ光光源）
２５ ０．９８μｍ帯用光ファイバ（ＥＤＦ）
３１ 第１コア
３２ 第２コア
３３ クラッド
Ａ，Ｂ，Ｃ 接続部
β 伝搬定数
Δ 比屈折率差
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信分野、光計測分野等に用いられる光ファイバカプラに関し、特に波長域の離れた波長を合波・分波（以下、これらを合わせて合分波と称する。）するＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉ−ｐｌｅｘｅｒ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ，またはＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カプラに関し、優れた光学特性（合分波特性）を実現しつつ、入出力ファイバとの接続性に優れた（結合損失の小さな）光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光情報通信分野において多く用いられているＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器）の中で、増幅媒体（ＥＤＦ；エルビウム添加光ファイバ、もしくはこの中に含まれるＥｒ（エルビウム）とも言う。）を励起するために、１．４８μｍ付近及び／又は０．９８μｍ付近の波長を持つ光（励起光、ポンプ光（Ｐｕｍｐｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ）とも呼ぶ。）を入射する。この場合、増幅媒体（ＥＤＦ）中には、ＷＤＭカプラ（以下、光ファイバカプラと称する。）により、信号光（１．５５μｍ帯）を損なわずに０．９８μｍ付近の光を加える。
【０００３】
この光ファイバカプラには、融着延伸型ファイバカプラ、多層膜フィルタを用いたものなどがあるが、ここでは、融着延伸型の光ファイバカプラについて説明する。従来より用いられてきた０．９８μｍ帯−１．５５μｍ帯用光ファイバカプラには、０．９８μｍ用光ファイバ２本によって構成されたもの、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ用光ファイバを組み合わせて構成されたものが挙げられる。
【０００４】
なお、１．５５μｍ用光ファイバ中では、０．９８μｍの光（＝励起光）が単一モードで伝搬しないため、安定した特性を実現できない。このため、１．５５μｍ帯用光ファイバ２本による構成は用いられていない。
【０００５】
なお、光ファイバカプラの従来の技術として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３などがある。
【０００６】
【特許文献１】
ＵＳＰ４，８３４，４８１
【０００７】
【特許文献２】
ＵＳＰ４，５５６，２７９
【０００８】
【特許文献３】
ＵＳＰ４，８６９，５７０
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ用光ファイバの組み合わせによって構成された光ファイバカプラにあっては、融着延伸部における１．５５μｍ帯の光の伝搬定数が、それぞれの光ファイバにおいて異なる、いわゆる非対称カプラとなり、１．５５μｍ帯の光のパワーが１．５５μｍ帯用光ファイバから０．９８μｍ帯用光ファイバに１００％移行すること、すなわち、完全結合することができなくなる。すなわち、１．５５μｍ帯の挿入損失が大きくなる。
【００１０】
また、０．９８μｍ用光ファイバ２本によって構成された光ファイバカプラにあっては、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ帯（信号光）ポートとの接続性が悪くなる。１．５５μｍ用光ファイバと０．９８μｍ用光ファイバとの接続性について以下に詳細に説明する。
【００１１】
図２０は従来の光ファイバカプラの第１構成例を示す図である。図２１は従来の光ファイバカプラの第２構成例を示す図である。図２０に示す第１構成例は、励起光をＥＤＦ等の増幅媒体に対して、信号上流側から信号光と同じ方向に入射する方法、すなわち前方励起方式で用いられる接続方法である。
【００１２】
図２０に示す光ファイバカプラは、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１と０．９８μｍ帯用光ファイバ１３とを融着延伸してなる融着延伸部１５を有する。１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の一方のポートには上流側の信号線路である１．５５μｍ帯用光ファイバ２１から接続部Ａを介して信号光が入射され、０．９８μｍ帯用光ファイバ１３の一方のポートにはポンプ光光源である０．９８μｍ帯用光ファイバ２３から接続部Ｂを介してポンプ光が入射される。０．９８μｍ帯用光ファイバ１３の他方のポートからは、合波された０．９８μｍ帯のポンプ光と１．５５μｍ帯の信号光とが接続部Ｃを介してＥＤＦに入射される。即ち、この前方励起方式は、図２０中の矢印（→）で示すように、信号光とポンプ光が同じ向きで、同じ信号線路上流側からＥＤＦに入射される。なお、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の他方のポート１１ｐは使用されていない。
【００１３】
図２１に示す第２構成例は、後方励起方式で用いられる接続方法である。この後方励起方式は、図２１中の矢印（→）で示すように、ポンプ光が信号光と逆向きに、信号線路の下流側からＥＤＦに入射される。この２種類の励起方式以外に、ＥＤＦの信号上流・下流両側から励起光を入射する双方向励起方式もあるが、この方式では、ＥＤＦの信号上流側と信号下流側の両方に光ファイバカプラを配置するが、前者は前方励起方式と同様の使い方、後者は後方励起方式と同様の使い方をする。
【００１４】
ここで、光ファイバカプラ用の光ファイバを０．９８μｍ帯用に統一した場合には、図２０及び図２１中の接続部Ａでは、１．５５μｍ帯用光ファイバ２１と光ファイバカプラ用の０．９８μｍ帯用光ファイバが接続される。ここで、接続点においてＭＦＤ（モードフィールド径）のミスマッチにより、比較的大きな接続損失が生じる。
【００１５】
なお、光ファイバ中を伝搬する光の電磁界の強度分布は、多くの光ファイバにおいてガウス分布で良く近似できる強度分布を有しており、ＭＦＤは、光ファイバ中を伝搬する光の電磁界の強度分布の最大値の１／ｅ２（ｅ＝２．７１…、自然対数の底）となる部分の直径をいう。このＭＦＤは接続損失を決定する重要なファクタである。ＭＦＤが等しい光ファイバ同士を接続する場合は、接続損失は非常に小さくすることが可能であるが（理想的な状況では損失＝０、すなわち無損失）、ＭＦＤの異なる光ファイバ同士を接続する場合は、ＭＦＤの差が大きいほど接続損失は大きくなる。前記接続損失は、約０．２ｄＢ〜０．３ｄＢと大きく、光部品の用いられる通信システムにおける伝送品質の観点から好ましくない。
【００１６】
このような観点から、光ファイバカプラにおいて、接続性（接続損失の低減）を考慮すると、１．５５μｍ帯の光を入射するポート（後方励起方式の場合は１．５５μｍ帯が出射されるポート）に用いる光ファイバカプラ用の光ファイバは、図２１及び図２２に示すように、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１とすることが望ましい。
【００１７】
本発明は、優れた光学特性（１．５５μｍ帯の結合特性）を実現しつつ、入出力光ファイバとの接続性に優れた（結合損失の小さい）、挿入損失が小さな融着延伸型の光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、互いに波長帯が異なる複数本の光ファイバを融着延伸してなる融着延伸部を有する光ファイバカプラであって、前記融着延伸部により融着延伸された後のそれぞれの光ファイバの伝搬定数の差は、１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下であることを特徴とする。
【００１９】
請求項１の発明によれば、それぞれの光ファイバの伝搬定数の差を、１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下とすることにより、複数本の光ファイバのモードが相互に結合する最大結合度が極力１となるので、優れた光学特性（結合特性）を実現でき、挿入損失が小さくなる。
【００２０】
請求項２の発明は、互いに波長帯が異なる複数本の光ファイバを融着延伸してなる融着延伸部を有する光ファイバカプラであって、前記複数本の光ファイバの内の１つの光ファイバは、０．９８μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであり、第１コアと、この第１コアの周囲に配置された第２コアと、この第２コアの周囲に配置されたクラッドとを有し、前記第２コア半径は１０μｍ以上であり、前記第２コアと前記クラッドとの比屈折率差は０．１％以下であることを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明によれば、０．９８μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバに第２コアを設け、第２コア半径を１０μｍ以上とし、第２コアとクラッドとの比屈折率差を０．１％以下としたので、伝搬定数の差が１０−４以下となり、優れた光学特性（結合特性）を実現でき、挿入損失が小さくなる。
【００２２】
請求項３の発明に係る光ファイバカプラでは、前記第１コアの比屈折率差は、０．７０％〜０．９０％の範囲内であることを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明によれば、１．５５μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバのコアの比屈折率差を０．３５％付近である場合、０．９８μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバの第１コアの比屈折率差を０．７０％〜０．９０％の範囲内とすることにより、伝搬定数の差が１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下となり、優れた光学特性（結合特性）を実現でき、挿入損失が小さくなる。
【００２４】
請求項４の発明に係る光ファイバカプラでは、前記第１コアの比屈折率差は、０．６０％〜０．８０％の範囲内であることを特徴とする。
【００２５】
請求項４の発明によれば、１．５５μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバのコアの比屈折率差を０．３０％付近である場合、０．９８μｍ帯用光ファイバカプラ用光ファイバの第１コアの比屈折率差を０．６０％〜０．８０％の範囲内とすることにより、伝搬定数の差が１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下となり、優れた光学特性（結合特性）を実現でき、挿入損失が小さくなる。
【００２６】
請求項５の発明に係る光ファイバカプラでは、前記複数本の光ファイバの内の他の１つの光ファイバは、１．５５μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであることを特徴とする。
【００２７】
請求項６の発明は、０．９８μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであって、第１コアと、この第１コア上に配置された第２コアと、この第２コア上に配置されたクラッドとを有し、前記第２コア半径は１０μｍ以上であり、前記第２コアの比屈折率差は０．１％以下であることを特徴とする。
【００２８】
請求項７の発明に係る光ファイバカプラ用光ファイバでは、前記第１コアの比屈折率差は、０．７０％〜０．９０％の範囲内であることを特徴とする。
【００２９】
請求項８の発明に係る光ファイバカプラ用光ファイバでは、前記第１コアの比屈折率差は、０．６０％〜０．８０％の範囲内であることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバの実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
まず、本出願人の発明者等は、光ファイバの屈折率プロファイルを改良することにより、０．９８μｍ帯用光ファイバとしての特性（０．９８μｍ帯で単一モードであり、かつ０．９８μｍ帯用光ファイバとの接続性に優れる）を維持しつつ、融着延伸することにより１．５５μｍ帯用光ファイバとの結合度が十分大きな光ファイバを発明するに至った。
【００３２】
以下、このような光ファイバに関して理論を述べた上で、計算による検討結果について説明する。
【００３３】
（ａ）対称カプラ・非対称カプラそれぞれの結合度について
まず、対称カプラ・非対称カプラそれぞれの結合度について説明する。ここでは、同方向方向性結合器の理論の要点のみを説明する。
【００３４】
２つの導波路Ｉ，ＩＩを互いに近づけた場合、各々の導波路のモードは、相互に結合する。この結合の最大値を決めるパラメータＦは、式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
【００３６】
【数２】
【００３７】
【数３】
【００３８】
融着延伸型の光ファイバカプラの場合、結合定数κは、強融着であれば、１０−４〜１０−２［ｒａｄ／μｍ］程度であり、弱融着であれば、１０−７〜１０−５［ｒａｄ／μｍ］程度となることが簡単な計算から求められる。このため、強融着を前提とした場合（融着条件にもよるが）、１．５５μｍ帯の信号波を低損失で結合させるためには、光ファイバカプラの０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ用光ファイバとのδを、１０−５〜１０−３［ｒａｄ／μｍ］程度とすれば良い。
【００３９】
（ｂ）０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ用光ファイバを融着延伸した場合の伝搬定数とその差について
図５は１．５５μｍ帯用光ファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ． ＳＭＦ２８相当）と０．９８μｍ帯用光ファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．ＣＳ９８０相当）を融着無しで１本の光ファイバのまま延伸した場合（即ち、加熱して引っ張り細くした場合）における１．５５μｍの導波モードの伝搬定数βの変遷の計算結果を示す図である。横軸は、延伸により光ファイバが元の状態からどれだけ細くなったかを示す延伸率を表す。延伸率１００％とは延伸していない光ファイバを表わし、延伸率５０％とは、延伸した結果、光ファイバの外径が元の半分（６２．５μｍ）になったものを表わす。
【００４０】
図５ではそれぞれのファイバの伝搬定数βを表し、図６では２つの導波路の伝搬定数βの差（上記δの２倍の値）を表わす。図６からわかるように、延伸率７５％付近でδは一旦零となるが、この前後ではδは非零の値を持つ。このことから、０．９８μｍ帯用光ファイバ（ＣＳ９８０相当）と１．５５μｍ帯用光ファイバ（ＳＭＦ２８相当）は、延伸率７５％付近でのみδ＝０、すなわち完全結合する条件を有することがわかる。
【００４１】
しかし、δ＝０なる点はこの１点のみであることから、製造トレランスが小さいことが予想される。また、このグラフは、長波→延伸率小（光ファイバが細い）、短波→延伸率大（光ファイバが太い）と読み換えられるため（２本の導波路間でのモード結合は長波側の方が強いため、定性的にはこのような読み替えは有効である。）、挿入損失が大きな波長依存性を持つこともわかる。これはＷＤＭカプラの特性として好ましくない。これは、１．５５μｍ帯（信号帯域）全体で波長特性が平坦で且つ結合度が可能な限り１に近いものでないと、１．５５μｍ帯の挿入損失およびその波長依存性は、充分に小さく且つ平坦なものにならないからである。即ち、製造時の融着延伸の条件内で、２種の光ファイバの伝搬定数βの延伸率依存性（もしくは波長依存性）が、同じ絶対値を持ち、且つ等しい傾きを持つこと、すなわち接することが理想的な状況であると言える。
【００４２】
（Ａ）実施の形態に係る光ファイバカプラの実施例
（ａ）（ｂ）に説明した内容を踏まえた上で、０．９８μｍ帯用光ファイバの屈折率プロファイルを改良することにより、１．５５μｍ帯用光ファイバとの結合度を向上させた光ファイバカプラの実施例について説明する。
【００４３】
図１は実施の形態に係る異種光ファイバからなる光ファイバカプラの模式図である。図１では、０．９８μｍ帯用光ファイバと１．５５μｍ帯用光ファイバ（ＳＭＦ２８相当）とからなる０．９８／１．５５μｍ光ファイバカプラの模式図を示している。図１に示した入射光・出射光の向きは前方励起のものである。なお、後方励起の場合、１．５５μｍの信号光の進み方は逆となる。
【００４４】
ここで、融着条件によっても異なるが、極端な強融着で無い限り、０．９８μｍ帯の光はクロスポートに結合しないと言って差し支えないため（アスペクト比１．１〜１．２となるような条件で、０．９８μｍ帯の光の結合定数は、１．５５μｍ帯の結合度と比較して２〜３桁小さい。）、ここでは０．９８μｍ帯の結合については言及しない。ここでは、１．５５μｍ帯の結合度の最適化を図ることにする。
【００４５】
なお、ここで言う融着条件とは、光ファイバカプラの融着延伸部の延伸率、延伸長（融着延伸部の長さ）、延伸部のテーパ形状、アスペクト比（図２２に示す融着延伸部１５の断面における長軸の長さｂと短軸の長さａとの比率ｂ／ａ）といった諸条件を指す。
【００４６】
２本の光ファイバを接した状態で、ガラスの軟化点温度付近まで加熱すると、クラッド表面の互いに接している部分から、２本のファイバは接合される（図２３に示す融着延伸部１５ａ）。さらに、加熱を続けると、クラッド表面の表面張力等の作用で、２本の光ファイバの間の溝は浅くなって行き、コアとコアの距離が近くなって行く（図２３に示す融着延伸部１５ｂ，１５ｃ）。最終的には２本の光ファイバの間の溝は完全に無くなり、断面がほぼ真円の形状となる（図２３に示す融着延伸部１５ｄ）。この作用を大きく働かせた場合を強融着と呼び、逆にこの作用が小さい場合を弱融着と呼ぶ。従って、図２３に示すように、弱融着の場合はアスペクト比は大きく（最大でｂ／ａ＝２）、強融着の場合はアクペクト比は小さくなる（最小でｂ／ａ＝１）。また、図２３に示すように、弱融着の場合は同じ延伸率で比較した場合における結合度の波長依存性は大きく、強融着の場合は結合度の波長依存性は小さくなる。また、図２３に示すように、弱融着の場合は同じ延伸率で比較した場合における結合度（絶対値）は小さく、強融着の場合は結合度は大きくなる。
【００４７】
実際に光ファイバカプラを作製する際は、加熱温度や印加張力、引っ張り速度等の製造条件を調整して、最適な形状を得ている。
【００４８】
図１に示す光ファイバカプラは、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１と０．９８μｍ帯用光ファイバ１２とを融着延伸してなる融着延伸部１５を有する。１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の一方のポートには上流側の信号線路である１．５５μｍ帯用光ファイバ２１から接続部Ａを介して信号光が入射され、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２の一方のポートにはポンプ光光源である０．９８μｍ帯用光ファイバ２３から接続部Ｂを介してポンプ光が入射される。０．９８μｍ帯用光ファイバ１２の他方のポートからは、合波された０．９８μｍ帯のポンプ光と１．５５μｍ帯の信号光とが接続部Ｃを介してＥＤＦに入射される。なお、１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の他方のポート１１ｐは使用されていない。
【００４９】
１．５５μｍ帯用光ファイバ１１は、図２に示すように、ステップインデックス型の屈折率プロファイルを持つ光ファイバで、図２（ｂ）に示すように第１コア３１と第１コア３１の周囲に配置されたクラッド３３とを有する。０．９８μｍ帯用光ファイバ１２は、図３（ｂ）に示すように、第１コア３１と第１コア３１の周囲に配置された第２コア３２と第２コア３２の周囲に配置されたクラッド３３とを有する。
【００５０】
図２（ａ）及び図３（ａ）において、ｎｃｌａｄはクラッド３３の屈折率を表し、ｎ（１）は第１コア３１の屈折率を表し、ｎ（２）は第２コア３２の屈折率を表す。ｒｃｌａｄはクラッド３３の半径を表し、ｒ（１）は第１コア３１の半径を表し、ｒ（２）は第２コア３２の半径を表す。Δ（１）は第１コア３１とクラッド３３との屈折率の差である比屈折率差を表す。Δ（２）は第２コア３２とクラッド３３との屈折率の差である比屈折率差を表す。比屈折率差Δは式（４）で表される。比屈折率差は一般に１に比べてきわめて小さい値であるので、通常１００倍して％で表す。
【００５１】
【数４】
【００５２】
０．９８μｍ帯用光ファイバ１２は、第２コア３２を設けることによってプロファイルを改良（変更）して、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２と１．５５μｍ帯用光ファイバ１１との伝搬定数差の低減を図っている。
【００５３】
（Ａ−１）光ファイバのプロファイルの変更による伝搬定数差の低減
以下、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２のプロファイルの変更により伝搬定数差が低減できる理由について説明する。
【００５４】
まず、本発明者等は、各種光ファイバを１本のまま延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算を行なったので、その計算結果を図７から図１１に示す。また、図４に伝搬定数βの計算に用いた各種光ファイバの諸元を表したテーブルを示す。
【００５５】
図７は１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ、ＳＭＦ２８相当品）及びその類似の光ファイバを延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が４．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．３〜０．５５％である。図８は０．９８μｍ帯用のＣＳ９８０相当品及びその類似の光ファイバを延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が２．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．６〜１．００％である。
【００５６】
図９は改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が２．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．６〜１．００％であり、第２コア半径ｒ（２）が２０μｍであり、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）が０．１％である。
【００５７】
図１０は改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が２．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．６〜１．００％であり、第２コア半径ｒ（２）が２０μｍであり、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）が０．０２％である。
【００５８】
図１１は改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。この例では、第１コア半径ｒ（１）が２．４μｍであり、第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．６〜１．００％であり、第２コア半径ｒ（２）が１０μｍであり、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）が０．０２％である。
【００５９】
図７〜図１１に示す各光ファイバとも、数種類の比屈折率差Δについて計算したが、これは延伸時の加熱による光ファイバのプロファイルの変化（ダレ、元素の熱拡散などによる）を考慮するためである。
【００６０】
なお、ここでは、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ帯用光ファイバが延伸率５０％付近〜１０％で絶対値が異なる（０．９８μｍ用光ファイバの方が若干小さい）が、よく似た傾きを持つ。このため、前述した（ａ）（ｂ）の内容を踏まえて考えると、このカーブを上下方向（伝搬定数βの絶対値の方向）にシフトさせることで、０．９８μｍ用光ファイバと１．５５μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβを低減できるので、前記カーブを上下方向にシフトさせるために、光ファイバのプロファイルの変更を検討した。
【００６１】
伝搬定数βを大きくするためには、光ファイバ全体（特にクラッド）の屈折率を大きくすれば良い。しかし、光ファイバの機械的信頼性、耐環境特性等を考慮すると、光ファイバの最外層は純粋石英であることが好ましい。屈折率を調整するために他の元素を添加すると、一般的に機械的強度や耐環境特性は劣化する。このため、ここでは、０．９８μｍ帯用光ファイバの第１コア３１の周囲にクラッド３３よりも屈折率の高い領域として第２コア３２を設けるようにした。
【００６２】
（Ａ−２）伝搬定数差Δβの低減の実施例１
次に、図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図８乃至図１１に示す各々の０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を求めたので、これらを図１２乃至図１５に示す。
【００６３】
図１２は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図８に示す０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。図１３は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図９に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【００６４】
図１４は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図１０に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。図１５は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図１１に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【００６５】
図１２に示すように、改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）（第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．８％であり、第２コア半径ｒ（２）が２０μｍであり、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）＝０．０２％である。）において、延伸率５０％以下の範囲で伝搬定数差Δβが１０−４以下となることがわかる。このような状況で、１．５５μｍクロスポートの挿入損失を小さくできる。
【００６６】
また、延伸率５０％以下の範囲で、伝搬定数差Δβが１０−４であるようにするためには、第２コア半径ｒ（２）は、少なくとも１０μｍより大きくなければならず、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）は少なくとも０．１％より小さくなければならないことがわかる。さらに、融着延伸する際に、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２と組み合わせて用いる１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．３５％の場合、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２の第１コア３１の比屈折率差Δ（１）は０．７０％〜０．９０％の範囲内になければならないこともわかる。
【００６７】
（Ａ−３）伝搬定数差Δβの低減の実施例２
また、図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図８乃至図１１に示す各々の０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を求めたので、これらを図１６乃至図１９に示す。
【００６８】
図１６は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図８に示す０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。図１７は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図９に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【００６９】
図１８は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図１０に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。図１９は図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図１１に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【００７０】
図１９に示すように、改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）（第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．７％）の場合に、延伸率５０％以下の範囲で伝搬定数差Δβが１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下となることがわかる。この場合も、延伸率５０％以下の範囲で、伝搬定数差Δβが１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下であるようにするためには、第２コア半径ｒ（２）は少なくとも１０μｍより大きくなければならず、第２コア３２の比屈折率差Δ（２）は少なくとも０．１％より小さくなければならないことがわかる。さらに、融着延伸する際に、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２と組み合わせて用いる１．５５μｍ帯用光ファイバ１１の第１コア３１の比屈折率差Δ（１）が０．３０％の場合、０．９８μｍ帯用光ファイバ１２の第１コア３１の比屈折率差Δ（１）は０．６０％〜０．８０％の範囲内になければならないこともわかる。
【００７１】
以上のように、１．５５μｍ帯用単一モード光ファイバと改良型０．９８μｍ帯用光ファイバで構成された、低損失な０．９８／１．５５μｍ光ファイバカプラを実現することができる。
【００７２】
なお、以上は、融着延伸後の光ファイバのプロファイルでの計算結果であり、実際に光ファイバを設計する際には、延伸時の加熱によるプロファイルの変化（ダレ）を考慮する必要がある。また、結合させる（組み合わせる）ＳＭＦのプロファイルにより、改良ＣＳＦの最適プロファイルも変わるので、これらを考慮して設計する必要がある。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた光学特性（１．５５μｍ帯の結合特性）を実現しつつ、入出力光ファイバとの接続性に優れた（結合損失の小さい）、挿入損失が小さな融着延伸型の光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用光ファイバを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る異種光ファイバからなる光ファイバカプラの模式図である。
【図２】ステップインデックス型の光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図３】第２コアを有する光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図４】各種光ファイバの諸元を表したテーブルを示す図である。
【図５】１．５５μｍ帯用光ファイバと０．９８μｍ帯用光ファイバを融着無しで１本の光ファイバのまま延伸した場合における１．５５μｍの導波モードの伝搬定数βの変遷を、ｘ偏波・ｙ偏波それぞれについて計算した結果を示す図である。
【図６】図５に示す２つの導波路の伝搬定数βの差を、ｘ偏波・ｙ偏波のそれぞれについて表わす図である。
【図７】１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ、ＳＭＦ２８相当品）及びその類似の光ファイバを延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図８】０．９８μｍ帯用のＣＳ９８０相当品及びその類似の光ファイバを延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図９】改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図１０】改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図１１】改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）を延伸した際の導波モードの伝搬定数βの計算結果を示す図である。
【図１２】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図８に示す０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１３】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図９に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１４】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図１０に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１５】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３５％）と図１１に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１６】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図８に示す０．９８μｍ帯用光ファイバとの伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１７】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図９に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例１）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１８】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図１０に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例２）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図１９】図７に示す１．５５μｍ帯用の単一モード光ファイバ（Δ＝０．３０％）と図１１に示す改良型０．９８μｍ帯用光ファイバ（例３）との伝搬定数差Δβの延伸率依存性を示す図である。
【図２０】従来の光ファイバカプラの第１構成例を示す図である。
【図２１】従来の光ファイバカプラの第２構成例を示す図である。
【図２２】融着延伸部の断面における長軸の長さと短軸の長さとの比率を表すアスペクト比を示す図である。
【図２３】アスペクト比の大きさと強融着及び弱融着との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１ １．５５μｍ帯用光ファイバ
１２，１３ ０．９８μｍ帯用光ファイバ
１５ 融着延伸部
２１ １．５５μｍ帯用光ファイバ（信号線路）
２３ ０．９８μｍ帯用光ファイバ（ポンプ光光源）
２５ ０．９８μｍ帯用光ファイバ（ＥＤＦ）
３１ 第１コア
３２ 第２コア
３３ クラッド
Ａ，Ｂ，Ｃ 接続部
β 伝搬定数
Δ 比屈折率差
Claims (8)
- 互いに波長帯が異なる複数本の光ファイバを融着延伸してなる融着延伸部を有する光ファイバカプラであって、前記融着延伸部により融着延伸された後のそれぞれの光ファイバの伝搬定数の差は、１０−４［ｒａｄ／μｍ］以下であることを特徴とする光ファイバカプラ。
- 互いに波長帯が異なる複数本の光ファイバを融着延伸してなる融着延伸部を有する光ファイバカプラであって、前記複数本の光ファイバの内の少なくとも１つの光ファイバは、０．９８μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであり、第１コアと、この第１コアの周囲に配置された第２コアと、この第２コアの周囲に配置されたクラッドとを有し、前記第２コア半径は１０μｍ以上であり、前記第２コアと前記クラッドとの比屈折率差は０．１％以下であることを特徴とする光ファイバカプラ。
- 前記第１コアの比屈折率差は、０．７０％〜０．９０％の範囲内であることを特徴とする請求項２記載の光ファイバカプラ。
- 前記第１コアの比屈折率差は、０．６０％〜０．８０％の範囲内であることを特徴とする請求項２記載の光ファイバカプラ。
- 前記複数本の光ファイバの内の他の１つの光ファイバは、１．５５μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の光ファイバカプラ。
- ０．９８μｍ付近の波長を持つ光を単一モードで伝搬する光ファイバカプラ用光ファイバであって、第１コアと、この第１コア上に配置された第２コアと、この第２コア上に配置されたクラッドとを有し、前記第２コア半径は１０μｍ以上であり、前記第２コアの比屈折率差は０．１％以下であることを特徴とする光ファイバカプラ用光ファイバ。
- 前記第１コアの比屈折率差は、０．７０％〜０．９０％の範囲内であることを特徴とする請求項６記載の光ファイバカプラ用光ファイバ。
- 前記第１コアの比屈折率差は、０．６０％〜０．８０％の範囲内であることを特徴とする請求項６記載の光ファイバカプラ用光ファイバ。
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