JP2645458C - - Google Patents

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（ev
anscent-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（evanescent f
ield）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
（fused biconical taper）である。最初の２つの製造方法においては、ファイ
バー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 rat
io）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８２０
nm，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デシベル（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１２７
０nm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
ット２１ ７４２（１９８５）（Mortimore Wavelingth Flattned Fused Couple
rs，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ものではない。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光結合器は、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(a)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の長手方向の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
ントについても直径を減少させる。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（substrate）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 cladding”）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 claddeing”）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１
０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１
０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プロフィール（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量さ
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」（“Polari
zation Insensitive Evanesecnt-Wave Fused Coupler with Minimal Environmen
tal 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 705,044号に開示されている。 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,c
ommunication grade）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つの波長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図のどちらの曲
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１４
００nm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、開放火炎（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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、 を有し、 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、
   単一モード・エバネセント波光結合器の製造方法。 ２．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．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．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。 ５．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４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。 ６．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。 ７．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、 を有し、 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、単一モード・エバネセント波光結合器の製造方法。 ８．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７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。 ９．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、 を有し、 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、単一モード・エバネセント波光結合
   器の製造方法。 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、 を有し、 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、単一モード・エバネセント波光結合器の製造方法。