JP2578271B2 - Ｗｄｍ型光ファイバ溶着カプラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバを溶着した
対（以下、「光ファイバ溶着カプラ」と呼ぶ）、特に、
２波長チャネル型シングルモード光ファイバ溶着カプラ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】波長分割多重は、光ファイバ通信システ
ム及びローカルエリアネットワークのデータ伝送能力を
増大するのに、重要な手段である。波長マルチプレサ／
デマルチプレクサに対して各種の異なる設計が提案され
てきた。これらの設計は、その大きい帯域幅と低損失と
により、シングルモードファイバの遠隔測定システムに
対して特に重要である。

【０００３】米国特許第４,８３４,４８１号は、１.３
２μmと１.５５μmの波長で波長マルチプレクサ／デマ
ルチプレクサとして機能するシングルモード光ファイバ
溶着カプラを開示する。２本の光ファイバを束ね、次
に、光ファイバをテーパ付けした後に適当な熱源で溶着
することによって、テーパ状光ファイバ溶着カプラを製
作することができる。この手順は、光源を光ファイバの
一方に接続して、カップリング量を決めるために光ファ
イバの出力端からの光強度を監視しながら行われる。光
ファイバ溶着カプラの出力端間のパワーは、転送テーパ
付け工程が続くにつれて、正弦振動を受けるかビート動
作を行うと共に、カップリングされたパワーが１回の完
全な正弦曲線振動を通過して零に戻った時、１個のビー
ト長を引抜かれたと言われる。光ファイバ溶着カプラが
１ビート長の整数倍を引抜かれた時、カップリング比は
零に等しく、１ビート長の整数倍の１／２の時に１００
％に等しくなる。この特殊な光ファイバ溶着カプラにお
いて、１.３２μmと１.５５μmの波長において、夫々、
１００％と０％のカップリング比を得るために、光ファ
イバ溶着カプラは、１.３２μmの監視波長において、３
／２ビート長を引抜かれる。

【０００４】従来の２チャネル光ファイバ溶着カプラの
製造方法の欠点は、その経験的性質である。所定の型式
のシングルモードファイバに対して、正確な波長応答が
見出されるまで、その製造条件が調整される。異なるメ
ーカーからのシングルモードファイバを使用した光ファ
イバ溶着カプラの製造には、一組の新しい製造条件の決
定が必要となる。

【０００５】従来の２チャネル光ファイバ溶着カプラの
設計の別の制約は、これらの光ファイバ溶着カプラのチ
ャネル間の遮断である。波長分割多重（ＷＤＭ）リンク
をうまく操作するには、チャネル間の漏話が低いことが
必要である。光ファイバ溶着カプラにおける遮断は大き
くなり得る。しかしながら、製造工程における制御の不
足により、０％と１００％のカップリング点が正確に所
望の波長において生じずに、チャネル間の遮断が可成り
劣化し得る。光ファイバ溶着カプラが完全に製作された
としても、市販のレーザ光源の動作波長の変動により漏
話が起り得る。更に、環境状態の変化によりレーザの動
作波長が変化する結果、チャネル間の遮断が劣化する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、チャネル間
のクロスカップリングが極めて低い２波長チャネル光フ
ァイバ溶着カプラを提供することをその目的とする。

【０００７】本発明の別の目的は、従来よりも製作が容
易な２チャネル光ファイバ溶着カプラを提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一実施例にかか
る２チャネル光ファイバ溶着カプラは、各々がコアとク
ラッドを有し、細いテーパ状腰部で互いに溶着された２
本の光ファイバを備え、又、２チャネルは、波長がλ₁
の第１チャネルと、波長がλ₂の第２チャネルから成
り、更に、カップリングが波長λ₂に対して起こって、
波長λ₁に対しては起こらないように、λ₁＜λ₀＜λ₂の
関係を有する特性波長λ₀を有する。

【０００９】αがファイバコア半径であり、η₁がコア
の屈折率であり、η₂がクラッドの屈折率である時、カ
ップリング構造物全体の全局部ファイバコア半径に対す
る波長λにおいて、正規化周波数は

【数２】 と定義される。カップリング構造物において半径が最小
である腰部において、特性波長λ₀は正規化周波数Ｖが
１より大きいが１に近似しているように設定される。

【００１０】別の好ましい実施例において、波長λ₁が
１.３μmであり、波長λ₂は１.５５μmである。更に別
の実施例において、波長λ₁は０.８μmであり、波長λ₂
は１.３μmである。

【００１１】

【実施例】テーパ状溶着光ファイバカプラは、２本のフ
ァイバを束ね、次に、カプラにテーパ付けするよう引張
りながら適当な熱源で溶着することによって製造され
る。波長λ₂の光源が、引張り中に一方のファイバＡの
一端に当てられ、両ファイバの出力端が、その光源に対
するカップリング度を決定するために検出器によって監
視される。波長λ₁の第２の光源が他方のファイバＢの
一端にも当てられ、両ファイバの出力端が第２の光源の
周波数に対しても監視される。この両ファイバの出力端
における２個の異なる波長を有する光パワーの同時監視
は、波長を分離し、各波長を検出器に送るダイクロイッ
クミラーを用いることにより達成できる。２個の異なる
周波数を有する光パワーを監視する他の方法は、５０％
ビームスプリッターを用いて、各ファイバの出力端から
の光を２つのビームに分け、ビームを干渉フィルタを介
して別個の検出器に導くことである。

【００１２】図１（ａ）は、２本の実線により、２本の
ファイバＡとＢよりのパワー出力が、１つの特有の波長
λ₂の光に対し、引張り工程中のファイバ伸びの関数と
して、どのように前後に振動するかを示す。

【００１３】引張り工程の開始時には、ファイバ間のカ
ップリングはなく、次いで、図１（ａ）のＳ点に対応す
る伸びにおいて、エネルギがファイバＢに結合し始め、
更に、Ｐ点まで伸びると、ファイバＡの全エネルギが、
ファイバＢ中に結合し、エネルギはファイバＡの出力に
全く伝達されなくなる。カプラが更に伸びると、ファイ
バＢ中のエネルギ量は減少する一方、ファイバＡに伝達
されるエネルギ量は増加して、Ｒ点で、エネルギは、フ
ァイバＢに全く結合されなくなる。このようなファイバ
ＡとＢ間の交互のパワー転送の工程は、カプラが更に伸
びるにつれて、正弦曲線状に続く。カプラの延伸中にフ
ァイバＡの出力に伝達されるエネルギ量は、ファイバＢ
から外へ伝達されたエネルギ量の補足量である。即ち、
ファイバＡから出たエネルギは、ファイバＢからの出力
が最小の時最大となり、ファイバＢからの出力が最大の
時最小となる。正弦曲線状振動のビートの周期は、概略
的に、ファイバ溶融度や、カプラ延伸中にテーパ部を生
じる速度等の製作パラメータにより変動する。

【００１４】図１（ａ）中の実線は、引張り工程中にカ
プラが伸びる時の単一波長λ₂の光に対する２本のファ
イバ間のパワー転送を示す。しかしながら、異なる更に
短い波長λ₁に対しては、点線で示すように、Ｓ′点に
おいて、一方のファイバから他方のファイバへのカップ
リングが、波長λ₂の光に対するよりも、長いカプラ伸
びで生じ始める。従来のテーパ状２チャネル溶着カプラ
では、溶着ファイバの伸長は、いくつかのビート長の間
継続し、λ₁とλ₂の両方に対する所要のカップリングが
ファイバの出力端で検出器により決定されるまで、多く
のビート長の間続く。

【００１５】従来の２チャネル溶着カプラに対する所望
のスペクトル応答を図１（ｂ）に示す。これは、ファイ
バＡの出力がλ₂で、ファイバＢの出力がλ₁である時
に、ファイバＡの同じ入力に波長λ₁とλ₂の光を投入し
て得たものである。製作中、ファイバＡには波長λ₂の
光を投入し、ファイバＢには波長λ₁の光を投入してい
るので、所望のスペクトル応答は、製作中、同一伸び点
で、両波長λ₁とλ₂の全ての光が、ファイバＡから出る
時点で得られる。このことは、正確に起らない場合もあ
り、製作条件（溶融度，テーパ付け速度）を同一の伸び
で一致が得られるまで調整する必要があるかも知れな
い。図１（ａ）に示すようにカプラが伸びるにつれて、
正弦曲線状振動は、早くなり、上記の一致が得られる機
会は増加する。実際上、２−３ビート長の伸びが一般に
要求される。

【００１６】それにもかかわらず、製造工程における制
御の不足により、図１（ｂ）の０％と１００％カップリ
ング点は、夫々、所定の波長λ₂とλ₁では、正確に得ら
れない場合もあり、２個のチャネルの遮断は、相当低下
し得る。カプラが完全に製作されているとしても、製造
されたレーザ光源の作動波長の変動により、漏話が生じ
得る。更に、これらレーザの環境条件の変化により、そ
の作動周波数が変動して、その結果チャネル間の漏話の
量が変化する。

【００１７】以下に、本発明にかかる新規な２波長チャ
ネル溶着カプラの構成について説明する。いかなる溶着
カプラにおいても、カップリングが生じるための要件
は、局部ＨＥ₁₁モードに対する正規化周波数Ｖが１より
小さくなるように、カプラを形成するファイバのコア２
を充分にテーパ付けすることである。即ち、

【数３】 但しλは、光の波長、αは、ファイバコア半径、η₁は
ファイバコアの屈折率、η₂は、ファイバクラッドの屈
折率である。テーパ付けの間、ファイバコア半径αは減
少し、局部正規化周波数は、１より小さくなる。Ｖが１
より小さく減少することによる効果は、カップリングの
開始時、即ち、図１（ａ）のＳ点を通じて直接観察でき
る。溶着カプラがλ₀を監視波長として使用して製作さ
れ、カプラの伸びが、カップリングの丁度開始時に停止
されると、そのカプラは、λ₀より短い波長に対して
は、カップリングを生じないが、λ₀より長い波長に対
しては、カップリングを生じるという性質を持つ。図４
に、そのスペクトル応答を示す。このようにして、溶着
カプラは、正規化周波数Ｖが、カプラの腰部では大略１
であり、他の場所では、それより大きいという特性波長
λ₀を有する。従来の溶着２チャネルＷＤＭカプラで
は、２チャネルの波長は常にλ₀より長いので、カップ
リングが、両波長チャネルに生じる。

【００１８】本発明にかかる２チャネルＷＤＭ溶着カプ
ラは、引張り中、局部ＨＥ₁₁モードに対する正規化周波
数Ｖが一方のチャネル、即ち、長い方の波長λ₂を有す
るチャネルに対して１以下となるよう、腰部５（図３）
のテーパが設定されるように製作される。波長λ₀より
短い波長λ₁の他方のチャネルの光エネルギは、その波
長に対しては、局部ＨＥ₁₁モードの正規化周波数Ｖが１
より大きく、カップリングを生じないので、カップリン
グ構造物全体で、コアにより誘導される。短波長チャネ
ルは、カプラ全体でコアにより案内されるので、短波長
チャネルλ₁の、長波長チャネルλ₂へのクロスカップリ
ングは、非常に低いものである。このようなクロスカッ
プリングは、又、環境条件の変化等に起因する短波長チ
ャネルの波長の変化に対して比較的に低感度になる。

【００１９】長波長チャネルの短波長チャネルへのクロ
スカップリングも又低く保つことができる。それは、長
波長の１００％カップリングが、従来のカプラと異な
り、広い平坦な周波数応答を有する第１のパワー転送サ
イクルで生じるからである。その結果、遮断が、長波長
チャネル内の光の波長の小さな変動に対して低感度にな
る。更に、カップリング構造物における偏光モードの存
在は、第１のパワー転送サイクルでは最少である。これ
らのモードの存在はチャネル間の遮断を減少し得る。

【００２０】本発明にかかる構成の溶着カプラは、λ₀
より短い波長では、カップリングがなく、λ₀より長い
波長では、カップリングがあるので、独特の応答を有す
る。このような溶着カプラの構成において考慮すべき点
は、カップリング構造物の腰部直径が制限されることで
ある。

【００２１】局部正規化周波数Ｖがλ₀より短い全ての
周波数に対して１よりも大きいという条件により、ファ
イバコアがカップリング構造物内で持ち得る最小半径α
minに制限が課せられる。即ち、カップリング構造物全
体を通じて

【数４】 この条件により、長波長λ₂の光に対するカップリング
係数が減少する。λ₂において１００％のカップリング
を得るためには、長い相互作用長を有するカプラを製作
する必要がある。カップリング構造物の理想的縦半径方
向輪郭では、ファイバコア溶着部の直径が２αminより
大きくなるように、図５に示すように中央の腰部断面を
一定の直径とし、両端にテーパ部を設ける。このような
理想的縦半径方向輪郭の製作は、以前には困難であっ
た。しかし、上記の理想的テーパ輪郭に近似する非常に
長いカプラを製作する方法が、フレームブラシ手法（fl
ame-brush technique）を用いる米国特許第４,８９５,
４２３号に開示されている。

【００２２】カプラの製造中は、図３に示すように、光
源６からの長波長の光は、ファイバＡの１端に結合さ
れ、検出器７と７’は、ファイバＡとＢの出力端に結合
される。検出器は、光源６からのエネルギが１００％結
合した時の表示を与える。従って、本発明によるカプラ
１は、製作工程中に、所定の一波長（長波長）しか監視
する必要がないので、従来の２チャネル溶着カプラより
も製作が容易である。短波長λ₁で、カップリングが生
じないことを確実にするために、カップリング構造物に
おいて、ファイバコア半径が、次式により与えられる値

【数５】 （但し、λ₀はλ₁より長いが、λ₂よりは短く選ばれ
る）よりも大きくなるように、テーパ付けは制御され
る。

【００２３】本発明の一実施例によれば、１個のカプラ
に対する所定の波長は、１.３２μmと１.５５μmとす
る。それは、これらの波長が、その波長で市販のファイ
バが示す抵損失や低分散のために、多くのシングルモー
ドの遠隔測定システムに対する共通の周波数となってい
るからである。

【００２４】本発明の他の実施例においては、所定の波
長は０.８μmと１.３μmで、これは、２方向ＷＤＭ伝送
の単一のシングルモードファイバリンクを用いる家庭へ
のサービス分配用のファイバシステムにおいて応用され
る。家庭向け下流方向通信量は、広帯域１.３μmチャネ
ルにより搬送される一方、上流方向通信量は低帯域幅と
し０.８μmで作動する。０.８μmを選定すると、現在コ
ンパクトディスクプレヤーに用いられている低価格レー
ザを利用するのに便利である。

【００２５】これらのＷＤＭカプラの重要な用途は、フ
ァイバ増巾器やレーザにおけるポンプカプラに対するも
のである。具体的な例としては、１５３６nm領域で作動
し、９８０nm光でポンピングできるエルビウム³⁺ドーピ
ングファイバ増巾器がある。ポンプ光も信号光も共にフ
ァイバに結合される。この場合、カプラの構成は、信号
波長１５５０nmで１００％カップリング、ポンプ波長で
０％カップリングであり、換言すれば、約１０００nmよ
り小さいポンプ波長は全く結合しない。

【００２６】

【発明の効果】本明細書に開示したカプラ構造を使用す
る利点は、製作工程で信号波長におけるカップリング係
数しか正確に制御する必要がないという点である。短波
長領域におけるカップリング係数は０％と平坦で、ポン
プ波長に対して感度が低い。更に、異なる波長を有する
ポンプも使用できる。本発明により達成される簡素化
は、ポンプ波長が正確であることを必要としない点であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）は、従来の２本のファイバのカップリ
ング比がファイバ伸びの関数として、どのように変化す
るかを示すグラフであり、（ｂ）は、従来の２本のファ
イバのカップリング比が波長の関数として、どのように
変化するかを示すグラフである。

【図２】 ファイバ伸長の前に結合された本発明の２本
のファイバを示す図である。

【図３】 本発明により結合された２本のファイバと、
結合されたファイバの引張り中にその結合状態を監視す
る方法を説明する図である。

【図４】 本発明によるカプラの波長に対するカップリ
ング比を示すグラフである。

【図５】 本発明による理想的カプラの縦断面図であ
る。

【図６】 図５の線８−８における拡大断面図である。

【符号の説明】

１ カプラ Ａ ファイバ ２ コア ５ 腰部 ６ 光源

フロントページの続き (72)発明者 バーナード・マロ カナダ、ケベック、ガティノー、ラルシ ュ11番 (72)発明者 ダーウィン・シー・ジョンソン カナダ、オンタリオ、ネピーン、スティ ルウォーター・ドライブ43番 (56)参考文献 特開 昭58−88719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−5205（ＪＰ，Ａ) 特表 昭62−500339（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各々がコアとクラッドとを有し、細いテ
   ーパ状腰部で互いに溶着された２本の光ファイバよりな
   る２チャネルシングルモード光ファイバ溶着カプラにお
   いて、第１チャネルの波長をλ₁とする一方、第２チャ
   ネルの波長をλ₂とする時、λ₁＜λ₀＜λ₂の関係を有す
   る特性波長λ₀と、半径が最小である腰部において測定
   した時に、下記の関係を有する正規化周波数 【数１】 （但しαはファイバコア半径、η₁はコアの屈折率、η₂
   はクラッドの屈折率）とを有することにより、カップリ
   ングが波長λ₂において起こって、波長λ₁においては起
   こらないことを特徴とする２チャネルシングルモード光
   ファイバ溶着カプラ。
2. 【請求項２】 λ₁が約１.３μmであり、λ₂が約１.５
   ５μmである請求項１記載の２チャネルシングルモード
   光ファイバ溶着カプラ。
3. 【請求項３】 λ₁が約０.８μmであり、λ₂が約１.３
   μmである請求項１記載の２チャネルシングルモード光
   ファイバ溶着カプラ。
4. 【請求項４】 ファイバ増巾器内でポンプカプラを形成
   する請求項１記載の２チャネルシングルモード光ファイ
   バ溶着カプラ。
5. 【請求項５】 レーザ内でポンプカプラを形成する請求
   項１記載の２チャネルシングルモード光ファイバ溶着カ
   プラ。
6. 【請求項６】 ファイバ増巾器は、エルビウムによりド
   ーピングされて１６３６nm領域で作動すると共に、９８
   ０nmの光エネルギでポンピングされる請求項４記載の２
   チャネルシングルモード光ファイバ溶着カプラ。