JP2645458B2 - 単一モード・エバネセント波光結合器の製造方法 - Google Patents

単一モード・エバネセント波光結合器の製造方法

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JP2645458B2 JP62260768A JP26076887A JP2645458B2 JP 2645458 B2 JP2645458 B2 JP 2645458B2 JP 62260768 A JP62260768 A JP 62260768A JP 26076887 A JP26076887 A JP 26076887A JP 2645458 B2 JP2645458 B2 JP 2645458B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、波長依存性を減少させた単一モード・エバ
ネセント波光結合器（evanscent−wave couplers）の製
造方法に関する。
（従来の技術） 光ファイバの光結合器とは、２本またはそれ以上の本
数の光ファイバ相互間において、光を分配したり、また
は光を結合するための装置である。光結合器と呼ばれる
もののうち、エバネセント波光結合器は、２本の光ファ
イバのコア間にオーバラップする電界の作用により、一
方の光ファイバから他方の光ファイバへ光学的エネルギ
を移すものである。光ファイバのエバネセント電界（ev
anescent field）は指数的に減衰する電界であるため、
２本のファイバのコアは極めて接近して位置させなけれ
ばならない。一般に、エバネセント波光結合器は通常３
つの製造方法のうちの１つを用いて製造される。３つの
方法とは、エッチング・ツイスト法と、非対称にみがく
方法（asymmetric polish）と、融合双円錐テーパ法（f
used biconical taper）である。最初の２つの製造方法
においては、ファイバのクラッド層を化学的なエッチン
グ技術あるいは機械的なみがき技術により優先的に除去
する。それからファイバは他のファイバと接するように
して置かれ、光結合が生じるように慎重に整列させられ
る。融合双円錐テーパ（FBT）結合器は、２本の光ファ
イバが合体して合成導波構造になるまで２本の光ファイ
バを加熱して製造する。この方法ではファイバを加熱し
ている間に、ファイバがゆっくりと引っ張られて、テー
パが形成される。このようにすると、一方の光ファイバ
中の光が他方のファイバに結合できる合成構造中に、一
方の光ファイバ中の光が充分広がるようになる。
多くの光結合装置のうち一部を除けば、現在までに開
発されてきたすべての単一モード光結合器では、用いら
れている光の波長によって結合比（coupling ratio）が
実質的に変化する。その結果、光結合器は特定の波長領
域（例えば820nm,1300nmや1500nm）において作動するよ
うに製造されており、１つ以上の波長で動作するような
ファイバ光装置においては、使い道が非常に限定されて
いた。標準の３デシペル（50/50）FBT光結合器の結合比
は、光ファイバのタイプ、製造プロセス及び波長によっ
て0.1％/nmから0.3％/nmまでの率で変わることができ
る。従って1300nm用に作られた50％光結合器は、1550nm
では75％から90％ぐらいの範囲に分布する結合比を示す
だろう。さらに1270nmで50％の結合比は1330nmでは60％
ぐらいになるだろう。この性質は、ほとんどのレーザー
ダイオード製品の波長許容誤差が±30nmであるだけに、
多くの応用にあたっての重大な制限になる。
最近，ディー・ビー・モルチモア（D.B.Mortimore）
が単一モードFBT光結合器における光結合の典型的な波
長依存性を減少させる技術について発表した（ディー・
ビー・モルチモア著、波長平坦化融合光結合器、エレク
トロン レッド 21 742（1985）（Mortimore Waveling
th Flattned Fused Couplers,Electron Lett 21 742
（1985））。モルチモアは、異なる伝搬定数を有する光
ファイバによって光結合器を製造することにより、単一
モード光結合器の波長依存性を減少できることを開示し
た。またモルチモアは、異なる直径あるいはプロフィー
ルを有する光ファイバを用いるか、２本の同じ光ファイ
バのうち一方を他方よりもテーパをつけることにより伝
播定数を相違させることができるということを示唆し
た。
光結合器を構成する２つの光ファイバの伝播定数に不
整合（mismatch）を生じさせるためにモルチモアにより
提案された２つの方法のうち、一見簡単そうなのは２つ
の異なった光ファイバを使う方法である。
しかしながら、このアプローチは好ましいのではな
い。これはすべてのファイバはそれぞれ幾分かは相違し
ており、１つの特定のファイバの対で成功したことが、
別の対のファイバで同様の結果が得られることを保証す
るものでないからである。
（発明が解決しようとする問題点） モルチモアにより発表された波長平坦化結合器は、フ
ァイバの１つに予めテーパをつけておくことにより製造
される。ファイバはテーパがつけられているので、２つ
のファイバを融合する前に、接触を確実なものとするた
めに、テーパがつけられたファイバを第２のファイバの
周りにより合わせる必要があった。しかしながらより合
わせを行うと、光の偏光に対する結合比の感度を増加さ
せ且つ大きな損失を生じさせがちであるのみならず、一
貫した結果を得ることも相当困難になるという問題があ
る。発明者の経験によれば、１本のファイバに予めテー
パがつけられている場合には、結合領域における結合の
長さと伝播定数の不整合とを制御することが非常に難し
いことが判っている。これはファイバのテーパに沿う伝
播定数の変化が、ファイバの直径が変化するのと同様に
して連続して変化するからである。
本発明の目的は、初めは同一である２つの光ファイバ
を使って、波長依存性を減少させた単一モード・エバネ
セント波光結合器の製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、信頼性が高く、再現性に
優れた単一モード・エバネセント波光結合器の製造方法
を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、結合領域における結合の
長さと伝播定数の不整合との制御を容易にする製造方法
を提供することにある。
（問題点を解決するための手段） 上述の目的及びその他の目的を達成するために、また
本発明の目的に合致して、波長依存性を減少させる単一
モード・エバネセント波光結合器を製造するために、ま
ず第１の発明では、実質的に等しい伝搬定数を有する第
１及び第２の単一モード光ファイバから波長依存性の少
ない単一モード・エバネセント波光結合器を製造する方
法において、第１の単一モード光ファイバの第１の長手
方向のセグメントの直径を、第１の長手方向セグメント
に沿って実質的に均一にし且つ第２の単一モード光ファ
イバの直径と異ならせるように減少させる工程を行う。
次に第２の単一モード光ファイバを第１の単一モード光
ファイバに第１の長手方向のセグメントの一部分に沿っ
て融合し、第１及び第２の単一モード光ファイバの互い
に融合されたそれぞれの部分を平行並列にして結合領域
を形成する。
また第２の発明では、第２の単一モード光ファイバの
第２の長手方向のセグメントについて直径を減少させ
る。直径の減少は、第２の単一モード光ファイバの第２
の長手方向のセグメントの直径が実質的に均一になり且
つ該直径が減少した第１の単一モード光ファイバの第１
の長手方向のセグメントの直径と異なるように行う。
（発明の作用） 一般に、単一モードファイバの伝播定数は、光ファイ
バの光学的特性と、光ファイバのコアの直径寸法と波長
との複雑な関数である。ファイバの光学的特性は製造の
時点においてはほとんど決まってしまい、ファイバを損
傷することなしに光学的特性を容易に変更できるもので
はない。発明者は、光ファイバの性能を落とすことなく
光ファイバの伝播定数を変化させる最良の方法は、コア
の直径を変えることであることを見出だした。
従来のようにテーパを付けるように光ファイバの直径
を減少させるとテーパに沿って伝搬定数が変化するが、
本発明の方法によれば、単一モード光ファイバの直径を
長手方向のセグメントに沿って実質的に均一に減少させ
るので、セグメントに沿って制御された一定の伝搬定数
を得ることができる。
また従来のようにテーパを付けて一方の光ファイバの
直径を減少させると、これを他方の光ファイバと平行並
列に配置した場合には、テーパの細径部において両光フ
ァイバ間に大きな間隙が形成されることになり、テーパ
の細径部を融合させることができない。これに対してテ
ーパをい付けずに直径を長手方向のセグメントに沿って
実質的に均一に減少させれば、第１の単一モード光ファ
イバの第１の長手方向のセグメントと第２の単一モード
光ファイバとを、第１の長手方向のセグメントに沿って
平行並列な状態で融合させることができ、その結果、結
合長さを制御することができ、しかも第２の単一モード
光ファイバとの間の伝搬定数の不整合を制御することが
できる。よって本発明によれば、２本の単一モード光フ
ァイバを用いた光結合器で波長依存性を減少させて、し
かも信頼性及び再現性に優れた光結合器を製造すること
ができる。
また第２の発明のように、第２の単一モード光ファイ
バの直径も第２の長手方向のセグメントに沿って実質的
に均一にし且つ第１の単一モード光ファイバの直径と異
なるように減少させると、広い範囲で伝搬定数の不整合
を制御することができる。
（実施例） 以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明
する。
単一モード・エバネセント波光結合器は、２つの単一
モード光ファイバを用いて製造される。これらの光ファ
イバはコア領域及びクラッド領域をそれぞれ有してい
る。たいていの場合、クラッド領域は異なる屈折率を有
する同心配置された２つのクラッド層からなる。２つの
クラッド層のうち内側のクラッド層の屈折率は、ファイ
バのコアの屈折率よりも低い。しばしば基材（substrat
e）とも呼ばれる外側クラッド層は内側クラッド層より
も高い屈折率を有するが、コアの屈折率と同じにする必
要はない。このタイプのファイバは、通常当業者間では
「デプレスド・クラッディング」（“depressed claddi
ng"）ファイバと呼ばれている。なお、他のタイプのフ
ァイバは、比較的高い屈折率を有する外側のクラッド層
あるいは基材を備えていない。このようなファイバは
「マッチド・クラッディング」（“matched claddein
g"）ファイバと呼ばれている。
本実施例においては、同じ光ファイバからなる２本の
長い光ファイバのそれぞれの保護緩衝層を３〜4cmの部
分だけ、機械的あるいは化学的手段により取り除いてい
る。それから各光ファイバの露出した部分は化学的に清
浄化され且つリンスされる。こうしてできた緩衝領域15
と露出領域16とを有する光ファイバ10を第2a図に示す。
２本の光ファイバ間の伝播定数の相違は、２本のファイ
バの一方の光ファイバのコア及びクラッドの直径を減少
させることにより生じる。第2a図及び第１図に示すよう
にこれを実現するためには、２本の光ファイバの一方の
光ファイバ10を移動可能な可動台12,14の上に載置し、
移動する火炎18で光ファイバ10の露出領域16を加熱す
る。そして火炎18が光ファイバにそって移動している
（scan）間に、２つの可動台12,14は互いに反対方向に
ゆっくりと移動して、光ファイバ10を引っ張り、その直
径d1を減少させる。この方法によって引き伸ばされ且つ
加熱された光ファイバの典型的な外径は第2b図に示され
ている。第2b図に示したように光ファイバの加熱セクシ
ョン即ち加熱領域26は、大部分の長さにわたって一定で
且つ寸法が減少した直径d2を有している。この直径が一
定の部分からは、加熱された領域の両端27における光フ
ァイバのもとの直径d1を有する部分に向かってテーパが
徐々に付けられている。加熱された領域におけるファイ
バの最終的な直径は、ファイバが引っ張られた量によっ
て制御される。なお、光ファイバ10の加熱領域の端から
端までの間で一定した直径を得るためには、光ファイバ
10と火炎18との間に一定の相関的な動きが必要であると
いうことが重要である。
光ファイバが所望の直径になるまで引き伸ばされた後
は、可動の固定装置内に置かれた伸ばされた光ファイバ
の側に沿って第２のファイバを位置させる。それから外
観の異なる２本のファイバは化学的にエッチングされ
る。なお第2b図において、28はエッチング領域である。
エッチング処理の目的は、各ファイバの外側クラッド層
あるいは基材を取り除いて、各ファイバについて充分な
長さだけ内側クラッド層を露出させて適当な屈折率ピロ
フィール（index profile）を得ることにある。適当な
屈折率プロフィールは、各光ファイバの露出したクラッ
ド層が、各光ファイバのコアよりも低い屈折率を有する
ようなプロフィールである。いろいろなエッチング技術
を使うことができるが、加熱エッチング技術によって目
的の光ファイバをエッチングするのが望ましい。次に、
エッチングされた２本の光ファイバは直線状に平行並列
に配置された状態に保持され、それから加熱されて結合
領域を形成する。この工程の詳細は、「最小環境感度を
伴う偏光不感性エバネセント波融合光結合器」（“Pola
rization Insensitive Evanesecnt−Wave Fused Couple
r with Minimal Environmental Sensitibity"）という
名称で、1985年２月25日に出願された米国特許出願第70
5,044に開示されている。
単一モード・エバネセント波光結合器は、1300nmから
1600nm迄の波長の範囲内で単一モード作用をするように
設計された標準の通信等級（standard,communication g
rade）のファイバを使用して製造した。ファイバの外径
は125ミクロンであった。そして２本の光ファイバのう
ちの一方の光ファイバは移動する火炎により加熱されて
引き伸ばされて、この一方の光ファイバのセグメントに
わたって、一定で且つ減少された外径を得た。この手順
の間、約1.7mmの距離に亘って、２つの可動台を反対方
向にゆっくりと動かした。台が所定の距離動く時間と同
じ時間内に、露出した光ファイバのセクションの一端か
ら他端まで火炎が動くように、トーチの速さは調整され
ている。それから２つの外観が異なった光ファイバは、
予め決められた時間だけ化学的にエッチングされ、適当
な屈折率プロフィールを得た。これらの実験において使
用された光ファイバにおいては、エッチング後の引き伸
ばされていない光ファイバの最適直径は、約50ミクロン
であった。それから２本の光ファイバを直線状にして平
行並列に保持し、適当な結合領域を形成するために融合
した。
上述した手順により構成された２つの波形依存性が減
少されたエバネセント波光結合器の波長応答を第３図と
第４図とに示す。第３図及び第４図のごちらの曲線にお
いても、試験された波長領域の全域にわたって結合比が
60％を越えることはなかった。この性質は、２本の光フ
ァイバの伝播定数における不整合を直接表現している。
さらにまた、1250nmから1600nmまでの波長領域のすべて
にわたって、結合比は48％から55％の間にとどまってい
る。波長応答曲線により証明されたように、製造過程の
パラメーター（直径減少度、エッチング時間、火炎の温
度、結合の長さ）が最も効果的になっているので、最大
結合比あるいは曲線の転回点は1400nm近辺である。
単一モード・エバネセント波結合器の他の製造方法で
は、最初に２本の光ファイバのエッチングを行う。それ
から、エッチングされた２本の光ファイバのうち一方の
光ファイバを移動する火炎あるいは加熱源によって加熱
して引き伸ばすことにより、その光ファイバのセグメン
トにわたって、一定ではあるが減少された外径を得るこ
とができる。加熱して伸ばす処理の間に、両方の可動台
は離れるように動き、トーチは光ファイバに沿って移動
する。
なお、加熱源としては、解放火炎（open flames）や
小さな炉など、異なった加熱源を使用できる。前述した
ように、一方の光ファイバを引き伸ばす前に２本の光フ
ァイバをエッチングしても、できあがった結合器の性能
はそう変らない。また加熱源とファイバとの間の一定の
相対的な速度を提供する別の方法を使用することによっ
ても第2b図に示した望ましいファイバの外径が得られる
ということは明らかである。例えば、火炎あるいは加熱
源を静止させておき、ファイバを火炎中に通して動かす
ことも可能である。また、製造のパラメーターのいくつ
かを変えることにより、減少した波長依存性と、単なる
例としては本明細書においては選択されなかった50％以
上の結合比とを示す結合器を構成することもできるとい
うことも明らかである。
なお、上述の方法は、エバネセント波光結合器を構成
する２本の光ファイバのコア領域とクラッド領域との直
径を減少させるために使用することができる。もしも２
本の光ファイバの直径を異なる量だけ減少させれば、光
ファイバ間の伝播定数を相違させることができ、光結合
の波長依存性を減少するのに使われる。
上述の方法は、光ファイバのコアの直径を一様に、ま
た信頼度を高く減少させ、そのゆえに光ファイバの選択
された長さにわたってファイバの伝播定数を変えるもの
である。従って２つのファイバは、融合工程の間に巻き
つけることなく接触を確保でき、結合器の結合長さはよ
り良くコントロールできる。本発明の方法により製造さ
れた結合器の特性は、モルチモアによって発表されたテ
ーパーとより付けの方法を使用して構成するよりも、よ
り一貫しており、再現性が高い。
（発明の効果） 本発明の方法によれば、単一モード光ファイバの直径
を長手方向のセグメントに沿って実質的に均一に減少さ
せるので、セグメントに沿って制御された一定の伝搬定
数を得ることができる。
また本発明の方法によれば、テーパを付けずに直径を
長手方向のセグメントに沿って実質的に均一に減少させ
るため、第１の単一モード光ファイバの第１の長手方向
のセグメントと第２の単一モード光ファイバとを、第１
の長手方向のセグメントに沿って平行並列な状態で融合
させることができ、その結果、結合長さを制御すること
ができ、しかも第２の単一モード光ファイバとの間の伝
搬定数の不整合を制御することができる。よって本発明
によれば、２本の単一モード光ファイバを用いた光結合
器で波長依存性を減少させて、しかも信頼性及び再現性
に優れた光結合器を製造することができる。
また第２の発明によれば、第２の単一モード光ファイ
バの直径も第２の長手方向のセグメントに沿って実質的
に均一にし且つ第１の単一モード光ファイバの直径と異
なるように減少させるので、広い範囲で伝搬定数の不整
合を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は光ファイバを一定に伸ばすのに使われる装置の
概略図である。 第2a図は伸ばされた後の光ファイバの側面図である。 第2b図は伸ばされて加熱された後の光ファイバの側面図
である。 第３図は本発明の方法により製造された単一モード・エ
バネセント波光結合器の波長応答を示すグラフである。 第４図は本発明の方法により製造された別の単一モード
・エバネセント波光結合器の波長応答を示すグラフであ
る。 10……光ファイバ、12,14……可動台、15……緩衝領
域、16……露出領域、18……火炎、27……端部、28……
エッチング領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・イー・マーカス アメリカ合衆国，アリゾナ州 85254, スコッツデール，ノース・セブンティー ス・ストリート 10888 (56)参考文献 特開 昭58−40521（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−150011（ＪＰ，Ａ)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】実質的に等しい伝播定数を有する第１及び
    第２の単一モード光ファイバを用いて波長依存性の少な
    い単一モード・エバネセント波光結合器を製造する方法
    であって、該方法は、 （ａ）該第１の単一モード光ファイバの第１の長手方向
    セグメントの直径を、該第１の長手方向セグメントに沿
    って実質的に均一でありかつ該第２の単一モード光ファ
    イバの直径と異なる直径となるように減少させる工程
    と、 （ｂ）該第２の単一モード光ファイバを該第１の単一モ
    ード光ファイバの該第１の長手方向セグメントの一部分
    に沿って融合し、融合された部分における該第１及び第
    ２の単一モード光ファイバの各部分を互いに平行並列に
    して結合領域を形成する工程と、 を有する単一モード・エバネセント波光結合器の製造方
    法。
  2. 【請求項２】前記（ａ）の工程は、前記第１の単一モー
    ド光ファイバを引張った状態において、該第１の単一モ
    ード光ファイバを前記第１の長手方向セグメントに沿っ
    て加熱することにより該第１の長手方向セグメントの直
    径を減少させる工程を含む、請求項１に記載の単一モー
    ド・エバネセント波光結合器の製造方法。
  3. 【請求項３】前記（ｂ）の工程を実施する前に、前記第
    １及び第２の単一モード光ファイバをエッチングする工
    程をさらに含む、請求項２に記載の単一モード・エバネ
    セント波光結合器の製造方法。
  4. 【請求項４】前記エッチングする工程は、前記（ａ）の
    工程が実施される前に行われる、請求項３に記載の単一
    モード・エバネセント波光結合器の製造方法。
  5. 【請求項５】前記（ａ）の工程は、 （a1）前記第１の単一モード光ファイバを１組の移動可
    能な台の上に載置する工程と、 （a2）前記第１の長手方向セグメントに沿って加熱源を
    移動させる工程と、 （a3）前記第１の長手方向セグメントに沿って該加熱源
    を移動させる間に、該１組の移動可能な台を移動させて
    該第１の単一モード光ファイバを引張る工程と、 を含む、請求項３に記載の単一モード・エバネセント波
    光結合器の製造方法。
  6. 【請求項６】前記加熱源は、前記第１の長手方向セグメ
    ントに沿って、前記第１の単一モード光ファイバに対し
    て実質的に一定の速度で移動する、請求項５に記載の単
    一モード・エバネセント波光結合器装置の製造方法。
  7. 【請求項７】前記（ｂ）の工程は、 （b1）前記第１及び第２の単一モード光ファイバを、前
    記第１の長手方向セグメントの一部分及び該第２の単一
    モード光ファイバの第２の長手方向セグメントが互いに
    平行並列になるように保持する工程と、 （b2）該第１及び第２の単一モード光ファイバの該平行
    並列に保持された部分を互いに融合して結合領域を形成
    する工程と、 を含む、請求項３に記載の単一モード・エバネセント波
    光結合器の製造方法。
  8. 【請求項８】前記（ａ）の工程は、 （a1）前記第１の単一モード光ファイバを移動可能な１
    組の台の上に載置する工程と、 （a2）前記第１の長手方向セグメントに沿って加熱源を
    移動させる工程と、 （a3）前記第１の長手方向セグメントに沿って該加熱源
    を移動させる間に、該１組の移動可能な台を移動させて
    該第１の単一モード光ファイバを引張る工程と、 を含む、請求項１に記載の単一モード・エバネセント波
    光結合器の製造方法。
  9. 【請求項９】前記加熱源は、前記第１の長手方向セグメ
    ントに沿って、前記第１の単一モード光ファイバに対し
    て実質的に一定の速度で移動する、請求項８に記載の単
    一モード・エバネセント波光結合器装置の製造方法。
  10. 【請求項１０】実質的に等しい伝播定数を有する第１及
    び第２の単一モード光ファイバを用いて波長依存性の少
    ない単一モード・エバネセント波光結合器を製造する方
    法であって、該方法は、 （Ａ）該第１の単一モード光ファイバの第１の長手方向
    セグメントの直径を、該第１の長手方向セグメントに沿
    って実質的に均一でありかつ該第２の単一モード光ファ
    イバの直径と異なる直径となるように減少させる工程
    と、 （Ｂ）該第２の単一モード光ファイバの第２の長手方向
    セグメントの直径を、該第２の長手方向セグメントに沿
    って実質的に均一でありかつ該第１の単一モード光ファ
    イバの減少した該第１の長手方向セグメントの直径と異
    なる直径となるように減少させる工程と、 （Ｃ）該第２の単一モード光ファイバの該第２の長手方
    向セグメントを該第１の単一モード光ファイバの該第１
    の長手方向セグメントの一部分に沿って融合し、融合さ
    れた部分において、該第１及び第２の単一モード光ファ
    イバの各部分を互いに平行並列にして結合領域を形成す
    る工程と、 を、有する単一モード・エバネセント波光結合器の製造
    方法。
  11. 【請求項１１】前記（Ｂ）の工程は、前記第２の単一モ
    ード光ファイバを引張った状態において、該第２の単一
    モード光ファイバを前記第２の長手方向セグメントに沿
    って加熱することにより該第２の長手方向セグメントの
    直径を減少させる工程を含む、請求項10に記載の単一モ
    ード・エバネセント波光結合器の製造方法。
  12. 【請求項１２】前記（Ｃ）の工程は、 （C1）前記第１及び第２の単一モード光ファイバを、前
    記第１及び第２の長手方向セグメントの一部分が互いに
    平行並列になるように保持する工程と、 （C2）該第１及び第２の単一モード光ファイバの該平行
    並列に保持された部分を互いに融合して結合領域を形成
    する工程と、 を含んでいる、請求項10に記載の単一モード・エバネセ
    ント波光結合器の製造方法。
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