JP2010286842A - ミクロ構造を有する光ファイバと従来型の光ファイバとを接合するためのスプライス接合部および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミクロ構造を有する光ファイバと従来型の光ファイバとの間に著しい損失を伴うことのないスプライス接合部を提供する。
【解決手段】第１のミクロ構造光ファイバ１の端部１５にカーボンコーティング２１を施し、第１のミクロ構造光ファイバの端部を接地させ、第１のミクロ構造光ファイバの光軸が第２の光ファイバ３の光軸と同一軸線上になるように、双方の光ファイバの端部を対向関係に整列させ、電気的に作動される融着接続機１８から第１のアーク２３を発生させ、双方の光ファイバの端部を第１の期間、第１のアークに曝し、第１のミクロ構造光ファイバの端部と第２の光ファイバの端部とを接触させ、接合部を形成し、接合部を、第１の期間より長い第２の期間、第２のアークに曝し、光学的継ぎ部を形成する。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、概して光学的スプライス接合部に関し、詳細には、ミクロ構造を有する光ファイバと、添加物をドープされたシリカからなる光ファイバとの低損失スプライス接合部および接合方法に関するものである。

ミクロ構造を有する光ファイバは、このファイバの軸線に沿って伝搬する光の波長の規模の複数の孔からなる周期的なアレイを備えた、一般にシリカからなる光導波路ファイバである。上記孔はファイバ内部に対称的に配置されて、光線を導くミクロ構造すなわちコアを形成している。形成されたミクロ構造は、全内部反射によって光をファイバの光軸に沿って導く、空気−ガラス界面アレイを提供する。かかるファイバは、従来型の光ファイバ（或るものはシリカの毛細管を束ね、溶融し、延伸することによって形成される）よりも製作が困難であるが、広い範囲の種々の波長の光をファイバの長さ方向に沿って単一モードで伝送することができる利点を有し、これによって、伝送された光信号中の内部モード分散形式のノイズを最少にする。

かかるミクロ構造を有するファイバの実際の使用を阻む障害の一つは、この形式の導波路内への、および導波路外への光の効率的な結合である。かかる結合は通常、一対の光ファイバを光学的および機械的に接続することによって行なわれる。かかる接続は通常、接合される光ファイバの端部同士をアークを用いて融着させる融着接続法によって行なわれる。

不幸にして、ミクロ構造を有する光ファイバと従来型の光ファイバとを融着接続法を用いて接合する場合に、生成された接合部は、結合されたファイバにおいて１．５dB 以上の高い損失発生の原因になる。かかる損失は、２本の従来型の光ファイバをスプライス接合する場合に生じる約０．５％の信号損失に対応する、一般に僅か約０．０２dB に過ぎない損失よりも遥かに高い。この損失の問題を一層大きな観点から見ると、単一のミクロ構造を有する光ファイバのスプライスに伴う１．５dB の損失は少なくとも２５％の損失に相当する。

国際公開第００／１９２５６号パンフレット

従来技術に付随する著しい損失を伴うことなしに、ミクロ構造を有する光ファイバと従来型の光ファイバとの間に信頼性および確実性をもってスプライス接合部を形成することができるスプライス方法に対する要求があること明らかである。形成されたスプライス部が、従来技術に伴う１．５dB の損失よりも遥かに低い損失を有するのみでなく、光ネットワーク内で取付けまたは手直しを行なう場合に破壊または損傷に耐える高度の機械的強度を有することが理想的である。最終的に、かかる低損失、高強度のスプライス部が、特別に設計され製作された融着接続機を必要とせずに、迅速、容易、安価に作成されることが望ましい。

本発明は、上述したすべての要求を満足する光学的スプライス接合部および接合方法に関するものである。本発明のスプライス接合部は、導光ミクロ構造とこのミクロ構造を取り囲むジャケットとを備えた、ミクロ構造を有する光ファイバの端部と、従来型の光ファイバの端部と、双方のファイバの端部の融着部とを含み、この融着部における光学的損失が１dB 未満、好ましくは０．３０dB 未満である。本発明のスプライス部および方法は、ミクロ構造を有する光ファイバの従来のスプライス部に伴う高い損失は、スプライス接合工程の融着ステップにおけるミクロ構造内の孔の実質的な潰れが原因であるとの本発明者による観察から生じたものである。これに対して、本発明のスプライス部におけるミクロ構造内の孔は、約５０％未満、好ましくは僅かに３５％未満程度部分的に潰れているに過ぎない。この孔の潰れの実質的な軽減により、従来技術に伴う損失よりも遥かに低い損失で済むことになる。

ミクロ構造を有する光ファイバおよび従来型の光ファイバの双方のモードフィールド径はほぼ等しいことが好ましく、かつスプライス接合部を形成する融着部は少なくとも２１０ＭＰａ（３０Kpsi）の、より好ましくは３５０ＭＰａ（５０Kpsi）を超える引っ張り強度を有する。

スプライス工程の融着ステップにおけるミクロ構造の潰れを防止するために、ミクロ構造を有する光ファイバのジャケットの半径方向の幅は、ミクロ構造の半径方向の幅の少なくとも１．６倍、より好ましくはミクロ構造の半径方向の幅の約２倍である。従来型の光ファイバは添加物をドープされたシリカであることが好ましく、これらファイバのモードフィールド径がミクロ構造を有する光ファイバのモードフィールド径と同じ寸法（すなわち約６μｍ）であるので、従来型の光ファイバは２％ハイデルタファイバであることがより好ましい。

本発明の方法においては、最初に、ミクロ構造を有する光ファイバの端部と標準的な光ファイバの端部とが、この標準的なファイバが融着接続機から発生せしめられるアークに７５μｍ〜１２０μｍ余分に曝されるように、ミクロ構造を有する光の端部がアークの中心から双方のファイバの軸線に沿って約７５μｍと１２０μｍとの間の距離だけ偏位せしめられた状態で、上記融着接続機内で対向関係をもって整列せしめられる。かかる偏位は、ファイバの端部内のミクロ構造が過度の熱に曝されるのを防止する。次に電気的に作動される融着接続機から約８ｍＡと１２ｍＡとの間の電流で０．２秒と０．４秒との間の期間アークが発生せしめられ、次に対向する端部が接近せしめられて接触する。約０．３秒後、接触した双方の端部が０．３秒と０．７秒との間の追加期間アークに曝される。ミクロ構造を有する光ファイバの比較的厚い外側ジャケットは、ミクロ構造を有する光ファイバの片寄せ配置および低電流２段加熱工程と相俟って、ミクロ構造内の孔の潰れを防止し、その結果、高い引っ張り強度とともに０．６５dB 、より好ましくは０．２０dB 未満の損失によって特徴付けられたスプライス接合部が得られる。

ファイバジャケットに囲まれて中心部に配置されたミクロ構造を備えた、ミクロ構造を有する光ファイバの断面側面図である。 モードフィールド径を画成するコアを備えた従来型の光ファイバの断面側面図である。 （右側に示されている）図１に描かれたミクロ構造を有する光ファイバの端部と、（左側に示されている）図２に描かれた従来型の光ファイバの端部とが、電気的に作動される融着接続機内部で対向関係をもって配置された、本発明の方法の第１ステップを示す図である。 融着接続機によって発生せしめられたアークがミクロ構造を有する光ファイバの端部と従来型の光ファイバの端部とを溶融させる、本発明の方法の第２ステップを示す図である。 双方のファイバの溶融せしめられた端部が互いに接近せしめられて接触した、本発明の方法の第３ステップを示す図である。 融着接続機のアークによってスプライス接合部が追加的に加熱される、本発明の方法の第４ステップを示す図である。 ミクロ構造を形成する孔を溶融熱が僅かしか収縮させなかったことを示す、ミクロ構造を有する光ファイバの端部のスプライス後の断面側面図である。 本発明の方法によって形成された１０個のスプライス部のサンプルのそれぞれに付随する光学的損失を示すグラフである。

すべての図面に亘って同一要素には同一符号が付されている図１および図２を参照すると、本発明は、フォトニック結晶ファイバ１を従来型の光ファイバ３に接合するためのスプライス接合部および方法の双方である。ミクロ構造を有する光ファイバは、ファイバ１を構成するガラス内に複数の孔７によって形成されたミクロ構造５を備えている。上記複数の孔７は、ファイバ１の中心光軸Ａ１に平行で、ファイバ１が使用される場合に、全内部反射によって導光機能を果たす複数のシリカ／空気界面を提供する。この実施例においては、ミクロ構造５が、このミクロ構造を形成するのと同じシリカから一体に形成された環状のジャケット９によって囲まれている。好ましい実施例においては、ジャケットの半径方向の幅がミクロ構造の半径方向の幅の少なくとも１．６倍、好ましくは約２倍である。図１に示された実施例においては、ミクロ構造を有する光ファイバ１の半径方向の幅は６２．５μｍ、ミクロ構造５は約２０．８μｍの半径方向の幅を有するが、ジャケット９の半径方向の幅は４１．７μｍである。したがって、図１に示された実施例においては、ジャケット９の半径方向の幅がミクロ構造５の半径方向の幅の２倍よりも僅かに大きい。後述でより明らかになるが、ミクロ構造５とジャケット９との間のかかる比率は、本発明のスプライス接合部が形成される際にミクロ構造５を形成する孔７が実質的に潰れるのを防止するのに役立つので重要である。

図２を詳細に参照すると、ミクロ構造を有する光ファイバ１に接合される光ファイバ３は、クラッド１３に囲まれたコア１１を備えている。コア１１およびクラッド１３の双方はシリカで一体に形成されているが、両者の差は、コア１１がこれを囲むクラッド１３よりも高い屈折率を有する点である。かかる屈折率における差は通常、ゲルマニウムのようなドーパント原子がより高い濃度でコア１１に含まれることによって生じる。好ましい実施例においては、光ファイバ３は、コア１１の直径よりも多少大きくかつミクロ構造を有する光ファイバ１のモードフィールド径Ｄ１に等しいモードフィールド径Ｄ２を有している。ミクロ構造を有する光ファイバ１のモードフィールド径Ｄ１は波長１５５０nm において約６μｍのモードフィールド径を有するから、好ましい実施例に用いられる光ファイバ３は２％ハイデルタ光ファイバである。これら光ファイバは通常、波長１５５０nm において約６μｍのモードフィールド径を有するからである。本発明は、光ファイバ３のモードフィールド径がミクロ構造を有する光ファイバ１のモードフィールド径Ｄ１と多少異なっているスプライス接合部およびスプライス方法を含むが、モードフィールド径の寸法的なミスマッチは最終的なスプライス接合部における望ましくない損失を招くので、かかる実施例は好ましくない。

ニューヨーク州コーニング所在のコーニング社によって製造されたＳＭＦ−２８（登録商標）型単一モード光ファイバのような一般に使用されている光ファイバのモードフィールド径よりも２％ハイデルタ光ファイバのモードフィールド径の方が遥かに小さいので、比較的小さいモードフィールド径（すなわち６μｍ程度）を有する光ファイバと、より一般に使用されているＳＭＦ−２８（登録商標）型単一モード光ファイバのようなより大きいモードフィールド径（すなわち約１０μｍ程度）を有するファイバとをスプライスする経済的かつ効果的な方法が必要になる。幸いにも、「拡大されたモードフィールド径を有する光ファイバおよびモードフィールド径の拡大方法（An Optical Fiber Having an Expanded Mode Field Diameter and Method for Expanding the Mode Field Diameter）」と題する国際特許出願第ＵＳ９９／２１８２８号（発明者：Qui Wu 、譲受人：コーニング社）によってこの問題はすでに解決されている。この特許出願は、特許文献１で刊行されている。この特許出願には、ハイデルタ２％ファイバのセグメントをＳＭＦ−２８（登録商標）型単一モード光ファイバに効率的にスプライス接合するのに用いることができる、一端のモードフィールド径が６μｍで他端が１０μｍに拡大された橋架用ファイバの製造方法がすべて記載されている。

図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の方法および得られるスプライス接合部を示している。工程の図３Ａに示された第１ステップにおいては、市販の融着接続機１８内において、ミクロ構造を有する光ファイバ１の一端部１５を光ファイバ３の一端部１７に対向して配置する。この接続機１８は、例えばエリクソン・ケーブルＡＢによって製造され、テネシー州ブレントウッド所在のアムハースト・ファイバ・オプティックス社から販売されているＦＳＵ−９７５型融着接続機のような市販の接続機である。この整列ステップにおいては、両ファイバのモードフィールド径が精密に整合するように光軸Ａ１およびＡ２（図１及び図２参照）が同一直線上に整列していることが重要である。図３Ａ〜３Ｄを通じて示されているように、融着接続機１８は対向する一対の尖端電極１９ａ，１９ｂを備えている。さらに図３Ａに示された最初の整列ステップにおいては、ミクロ構造を有する光ファイバ１の一端部１５が、これら電極１９ａ，１９ｂの尖端間で画成される中心線Ｃから距離ｄ１だけ偏位していることが重要である。本発明の方法の好ましい実施例においては、距離ｄ１は約２５から３００μｍまでの範囲、好ましくは１００μｍである。電極１９ａ，１９ｂからアークが発生せしめられるのに先立って、ミクロ構造を有する光ファイバ１の一端部１５に図示のようにカーボン被覆２１を施す。この被覆２１は、一端部１５にアークが当たるのを容易にするために接地される。

図３Ｂに示された、スプライス工程の第２ステップにおいては、融着接続機１８を起動してアーク２３を発生させ、溶融された終端２５ａ，２５ｂを生じさせる。このステップの好ましい実施態様では、約８から１２ｍＡ、最も好ましくは約１０ｍＡの電流からアークが発生する。さらに、発生したアーク２３に、ファイバ１および３の終端２５ａ，２５ｂを、約０．２から０．４秒間、最も好ましくは０．３秒間曝す。ミクロ構造を有する光ファイバ１の終端２５ａを上述した距離ｄ１だけ離しておくことにより、アーク２３の最も高熱の部分の終端２５ａへの接触が防止される。このことは、本発明に関しアーク２３の間接的な接触によって、ミクロ構造５を形成する孔７の過度の収縮を有効に防止する点で重要である。

工程の第３ステップが図３Ｃに示されている。ここでは、融着接続機１８の動作を停止し、ファイバ１および３の終端２５ａ，２５ｂが接触位置に接近せしめられてスプライス接合部２７を形成する。このステップにおいては、終端２５ａ，２５ｂが、約６から１０μｍ、最も好ましくは約８μｍの距離ｄ２オーバーラップして接触する。第２ステップの直後にはファイバ１および３の終端２５ａ，２５ｂが可塑状態にあるので、かかる「オーバラップ」接触が可能である。

スプライス工程の第４ステップが図３Ｄに示されている。ここでは、双方の終端２５ａ，２５ｂが接触してスプライス接合部２７を形成してから約０．２から０．５秒経過した後、融着接続機１８が上述した第２ステップにおけると同じ量の電流をもって、但しそれよりも幾分長い約０．４から約０．６秒間、最も好ましくは０．５秒間再起動する。この追加的加熱により、特にミクロ構造を有する光ファイバ１のジャケット９と、光ファイバ３のクラッド１３との間に強靭な接合部が形成されることが保証される。

図４は、接合部２７におけるミクロ構造を有する光ファイバ１のミクロ構造２９に典型的に生じる孔７の潰れ度合または収縮度合を示す。図３Ｂについて説明した最初の融着ステップの結果として、いくらかの収縮があるが、ミクロ構造を形成する孔７の領域は、初期の断面積から約３０％しか減少しない。孔７の潰れ度合が比較的少ないのは、最初の融着ステップにおいて融着接続機１８により発生せしめられるアークに関してミクロ構造を有する光ファイバ１の端部１５を偏位させたことと、比較的小電流をもって２段式溶融加熱が短時間に行なわれたことと、融着ステップにおける過度の熱からミクロ構造５を絶縁するために十分な厚さを有する外側ジャケットを備えたミクロ構造を有する光ファイバを選択したこととの結果であると本出願人は考えている。

図５は、本発明の方法により作成された１０通りのスプライス接合部２７のサンプルに付随する光学的損失をデシベルで示したものである。このグラフから明らかなように、これら損失は０．６３dB と０．１０dB との間の範囲にある。従来のスプライス部が、約２５％の信号損失に相当する１．５dB の損失を有し、かつそのデシベル目盛が対数目盛であった事実を考慮すると、本発明の成果は正に劇的な改善である。スプライス接合部サンプル中の最大の損失である０．６３dBは約１０％の損失に対応し、最小の損失である０．１０dB は、従来型の光ファイバ間のスプライス部に伴う損失と対比できる約１％の信号損失に相当するに過ぎない。かくして、２５０％から２５００％の間の改善が実現される。

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、当業者であれば、本発明の種々の追加、変形および変更が明らかになるであろう。かかる追加、変形および変更の全ては、添付の請求項によって限定される本発明の範囲内に含まれるように意図されるものである。

１ ミクロ構造を有する光ファイバ
３ 従来型の光ファイバ
５ ミクロ構造
７ 孔
９ ジャケット
１１ コア
１３ クラッド
１５ （ミクロ構造を有する光ファイバの）端部
１７ （従来型の光ファイバの）端部
１９ａ，１９ｂ 電極
２１ カーボン被覆
２３ アーク
２５ａ，２５ｂ 溶融された終端
２７ スプライス接合部
２９ 溶融後のミクロ構造

Claims (8)

1. ジャケットによって取り囲まれた導光ミクロ構造を備えた、第１のミクロ構造光ファイバの端部と、コアおよびクラッドを有してなる第２の光ファイバの端部との間に少なくとも２１０ＭＰａ（３０Kpsi）の引っ張り強度を有する光学的継ぎ部を形成する方法であって、
   前記第１のミクロ構造光ファイバの前記端部にカーボンコーティングを施し、
   前記第１のミクロ構造光ファイバの前記端部を接地させ、
   前記第１のミクロ構造光ファイバの光軸が前記第２の光ファイバの光軸と同一軸線上になるように、電気的に作動される融着接続機内で、前記双方の光ファイバの端部を対向関係に整列させ、この際、該融着接続機は、一対の対向して尖った電極を有し、前記第１のミクロ構造光ファイバの前記端部は、該一対の対向して尖った電極間で規定された線から２５μｍから３００μｍの距離だけずれており、
   前記電気的に作動される融着接続機から第１のアークを発生させ、
   前記双方の光ファイバの端部を第１の期間、前記第１のアークに曝し、
   前記第１のミクロ構造光ファイバの前記端部と前記第２の光ファイバの前記端部とを接触させ、接合部を形成し、
   前記接合部を、前記第１の期間より長い第２の期間、第２のアークに曝し、前記光学的継ぎ部を形成する、
   各ステップを含むことを特徴とする光学的継ぎ部の形成方法。
2. 前記第１のミクロ構造光ファイバの前記端部と前記第２の光ファイバの前記端部とを接触させる工程が、該第１のミクロ構造光ファイバの前記端部と前記第２の光ファイバの前記端部とをオーバーラップ接触させるものであることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記第１のミクロ構造光ファイバが、該第１のミクロ構造光ファイバの光軸と平行に配置された少なくとも１本の孔を備えたものであり、前記光学的継ぎ部の形成の間、前記接合部の近傍における前記孔の断面の縮小度合を５０％未満とすることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記ジャケットの半径方向の幅が、前記導光ミクロ構造の半径方向の幅の少なくとも１．６倍であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記第１の期間が、０．２秒から０．４秒の間であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記第２の期間が、０．４秒から０．６秒の間であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記第１のアークにおける電流が、８ｍＡから１２ｍＡの間であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記第２のアークにおける電流が、前記第１のアークにおける電流と等しいことを特徴とする請求項７項記載の方法。

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