JP2693649B2 - 光ファイバのモードフィールド径拡大装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は石英系光ファイバの低損
失接続あるいは低コスト接続を実現する光ファイバのモ
ードフィールド径拡大方法及びその装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に光ファイバの接続損失を低減させ
るため、あるいは光ファイバを簡単に接続できるように
して接続コストを下げるため、光ファイバのモードフィ
ールド径を拡大する方法が種々提案されている。

【０００３】その中の一つに、光ファイバを構成するコ
ア及びクラッドに例えばＧｅ，Ｆ等のドーパントを添加
し、該ドーパントを熱拡散させることによりコアの屈折
率を高くしたり、クラッドの屈折率を低くしたりする方
法がある。

【０００４】上記ドーパントを添加する一例としてクラ
ッドにドーパントとしてＦが添加された光ファイバの例
は、J.S. Harper, C.P. Botham and S. Hornung:“Tape
rs in single-mode optical fiber by controlled cor
e diffusion ”, Electron. Lett., Vol. 24, No. 4, p
p. 245-246(1988). およびC.P. Botham and J.S. Ha
rper: “Design of adiabatic tapers produced by con
trolled core diffusion ”, Electron. Lett., V
ol. 25, No. 22, pp. 1520-1522(1989).に記載されてい
る。この方法は、光ファイバを石英ガラス管に挿入し、
石英ガラス管の外側から水素／酸素ガスバーナーで加熱
することによってモードフィールド径拡大光ファイバを
作製するもので、加熱温度は１０００℃〜１３００℃、
モードフィールド径拡大に必要な加熱時間は数十分〜数
分であり、光ファイバの加熱区間の長さは３５ｍｍであ
る。

【０００５】一方、コアにドーパントとしてＧｅが添加
された光ファイバの一例としては、S. Kawakami, K. Sh
iraishi and Y. Aizawa:“A method to realize fiber-
embedded optical devices”, Tech. Digest OEC'8
8, pp. 172-173(1988). およびK. Shiraishi and S. Ka
wakami: “Beam expanding fiber for embedding op
tical devices ”, Tech. Digest IOOC'89, pp. 58-59
(1989).に記載されている。こちらは光ファイバを石英
ガラス管に挿入したのち、ＳｉＣ電気炉を用いて１２０
０℃〜１４００℃の温度で加熱している。この方法はＦ
に比べてＧｅの拡散係数が小さいため、モードフィール
ド径拡大に必要な加熱時間は３０時間〜５時間と長く、
また光ファイバの加熱区間の長さは約２００ｍｍであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前述した
従来技術におけるモードフィールド径拡大に必要な最短
加熱時間は、Ｆ添加光ファイバの場合には数分と短い
が、Ｇｅ添加光ファイバの場合には５時間と長く、製造
コストの面から実用化は難しいという問題がある。

【０００７】一方、加熱温度を高くすればモードフィー
ルド径拡大時間を短くできるが、１６００℃以上の高温
加熱が可能な電気炉としてカーボン炉や誘導加熱炉を用
いる場合、操作に手間がかかるためモードフィールド径
拡大光ファイバの低コスト作製には適していない。また
水素／酸素やプロパン／酸素等のガスバーナーは簡便な
高温加熱手段であるが、従来技術では炎の圧力によって
光ファイバが曲がらないように石英ガラス管の外側から
間接加熱を行う必要があり、そのため光ファイバの加熱
温度はそれほど高くならない。

【０００８】つぎに従来技術における光ファイバ最短加
熱区間長は、ガスバーナーによる間接加熱の場合では３
５ｍｍである。一般に光ファイバ接続あるいは光素子／
光ファイバ結合の際に光ファイバを固定するために用い
る光コネクタ用フェルールの長さは１０ｍｍであるた
め、従来技術で作製したコア拡大光ファイバを用いると
光ファイバ接続部の寸法が長くなるという欠点がある。

【０００９】本発明は以上述べた問題点に鑑み、モード
フィールド径の拡大した光ファイバを短時間で作製で
き、しかも光ファイバの加熱区間長を短くできる光ファ
イバのモードフィールド径拡大方法及びその装置を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る光ファイバのモードフィールド径拡大装置の構
成は、コアとクラッドとからなる石英系光ファイバを局
所的に加熱し、上記コア及びクラッドのいずれかに添加
されているドーパントを熱拡散させて光ファイバのモー
ドフィールド径を拡大させる光ファイバのモードフィー
ルド径拡大装置であって、モードフィールド径を拡大し
たい区間の被覆が除去された光ファイバに張力を印加し
て該光ファイバを真っ直ぐに伸ばしてなる張力付加手段
と、この真っ直ぐに伸ばされた光ファイバを真っ直ぐに
伸ばした状態で固定してなる光ファイバ固定手段と、上
記光ファイバの被覆除去部のモードフィールド径を拡大
させる部分を光ファイバが変形することなく直接加熱し
てなる光ファイバ加熱手段とを具備する光ファイバのモ
ードフィールド径拡大装置において、 上記光ファイバ
加熱手段が、 光ファイバの固定軸方向と直交する方向に
該光ファイバを介して等距離に対向して配設された同一
寸法の二本のマイクロバーナと、 この二本のマイクロバ
ーナに対して等しい流量のガスを供給するガス流量制御
手段と、 上記二本のマイクローバーナを光ファイバに対
して対称な位置に保った状態で光ファイバの固定軸方向
と平行方向あるいは固定軸方向と直交する方向に走査す
るバーナ走査機構とを具備してなることを特徴とする。

【００１１】また、上記光ファイバのモードフィールド
径拡大装置において、上記光ファイバ加熱手段が、光フ
ァイバの固定軸方向と直交する面内の等距離に点対称に
配置された同一寸法の偶数本のマイクロバーナと、偶数
本のマイクロバーナに等しい流量のガスを供給するガス
流量制御手段と、この偶数本のマイクロバーナを光ファ
イバに対して点対称な位置に保ったまま光ファイバの固
定軸方向と平行方向あるいは固定軸方向と直交する方向
に走査するバーナ走査機構とを具備してなるようにして
もよい。さらに、上記光ファイバのモードフィールド径
拡大装置において、上記光ファイバ加熱手段が、同一平
面上に平行に並べて固定された複数本の光ファイバの固
定平面の両側の等距離に対向して配設され、且つ光ファ
イバの固定軸方向と直交する方向に並べられている同一
寸法の複数組のマイクロバーナと、複数組のマイクロバ
ーナに等しい流量のガスを供給するガス流量制御手段
と、複数組のマイクローバーナを光ファイバ固定平面に
対して対称な位置に保ったまま光ファイバの固定軸方向
と平行方向あるいは固定軸方向と直交する方向に走査す
るバーナ走査機構とを具備してなるようにしてもよい。

【００１２】

【作用】上記構成において、石英系光ファイバのモード
フィールド径を拡大したい部分の被覆を除去した後、該
光ファイバの少なくとも該被覆除去部を真っ直ぐに伸ば
した状態で固定し、マイクロバーナーの炎の圧力が相殺
されるよう調節しながら被覆除去部を加熱中に該光ファ
イバが伸びたり曲がったりしないように加熱し、コア又
はクラッドに添加されているドーパントを熱拡散によっ
て拡散させ、該光ファイバのモードフィールド径の拡大
をする。

【００１３】

【実施例】以下本発明の好適な実施例を図面を参照して
説明する。

【００１４】実施例１ 図１は第一の実施例に係る光ファイバのモードフィール
ド径の拡大装置、図２はその平面図を示す。これらの図
面に示すように、基台１１にはモードフィールド径を拡
大したい区間の被覆を除去した光ファイバ１２を固定す
る光ファイバ固定台１３ａ〜１３ｃが同一軸上に配設さ
れていると共に、これらの光ファイバ固定台１３ａ〜１
３ｃと同一軸上に光ファイバ１２を固定しつつ軸方向に
移動自在な可動式光ファイバ固定台１４が移動自在に設
けられている。

【００１５】この可動式光ファイバ固定台１４には、ワ
イヤ１５を介して分銅１６が接続されており、滑車１７
によって鉛直方向へ該分銅１６を垂らすことによって、
一端を光ファイバ固定台１３ａに固定した光ファイバ１
２に張力を印加し、真っ直ぐに伸ばすようにしている。

【００１６】その後、この真っ直ぐに伸ばされた状態の
光ファイバ１２を光ファイバ固定台１３ｂ，１３ｃに固
定することによって、光ファイバ１２に張力をかけて水
平一直線上に緊張するようにしている。

【００１７】また、一方、光ファイバ１２の被覆除去部
１２ａのモードフィールド径を拡大したい部分には、同
一寸法のマイクロバーナ１８Ａ，１８Ｂが光ファイバ１
２の固定軸方向と直交する方向で且つ該光ファイバ１２
を介して等距離間隔を有して対向するよう配設されてい
る。上記マイクロバーナはその口径が１ｍｍ以下のもの
が好ましく、本実施例においては口径０．３ｍｍのもの
を使用した。

【００１８】このマイクロバーナ１８Ａ，１８Ｂには、
プロパンガスボンベ（尚、プロパンガスの代わりに水素
ガスを用いてもよい）１９及び酸素ボンベ２０からのガ
スが各々配管２１，２２を介して供給されている。尚、
これら２種類のガスの供給は各々ガス流量制御器２３，
２４が配管２１，２２中に介装されており、一定量のガ
スを常に安定して供給するようにしている。

【００１９】また、上記マイクロバーナ１８Ａ，１８Ｂ
には光ファイバ１２の固定軸方向と平行する方向及び直
交する方向に走査する図示しないバーナ走査機構が設け
られており、光ファイバ１２に対して対称な位置を保っ
たまま光ファイバ１２の固定方向と平行方向あるいは直
交する方向に走査されるようになっている。

【００２０】上記構成の装置を用いて光ファイバ１２の
モードフィールド径の拡大を図る手順を次に説明する。

【００２１】本実施例の装置を用いてコア拡大光ファイ
バを作製するには、先ず、モードフィールド径の拡大し
たい区間の近傍の被覆を除去した光ファイバ１２の両端
を固定台１３ａと可動式固定台１４に固定し、分銅１６
の力で可動式固定台１４を図中左方向へ動かして光ファ
イバ１２を真っ直ぐに伸ばす。さらに被覆除去部１２ａ
の近傍を固定台１３ｂと１３ｃとで固定したのち、被覆
除去部１２ａをマイクロバーナ１８Ａ，１８Ｂで加熱
し、光ファイバ１２中の添加剤を熱拡散させてモードフ
ィールド径を拡大する。

【００２２】この第一の実施例装置には加熱中の光ファ
イバの変形を防ぐため、以下の工夫がなされている。
分銅１６の重さが光ファイバ１本あたり１０ｇ〜３０
ｇである。本実施例では１０ｇとした。 固定台１３
ｂと１３ｃの間隔Ｄが１００ｍｍ以下である。本実施例
ではＤ＝３０ｍｍとした。 マイクロバーナ１８Ａ，
１８Ｂのガス流量が等しく、光ファイバ１２に加わる炎
の圧力が相殺されている。そのために配管２１，２２中
には４台のガス流量制御器２２，２２，２３，２３が設
けられている。 その他に図１と図２の説明のところ
で述べたように、４台の光ファイバ固定台１３ａ〜１３
ｃ及び１４が一直線上に配置され、また同一寸法の２本
のマイクロバーナ１８Ａ，１８Ｂが光ファイバ１２に対
して対称に配置されている。上記の工夫により光ファイ
バ１２を変形させずに本実施例では１７００℃まで加熱
できるようになった。

【００２３】本実施例の装置を用いてドーパントとして
Ｇｅを添加したＧｅ添加光ファイバＡとＢを１７００℃
で加熱したときのモードフィールド径拡大の様子を図４
に示す。本実施例においては２本の比屈折率差Δの異な
るＧｅ添加光ファイバ１２Ａ（Δ＝０．３％），１２Ｂ
（Δ＝２．３％）を用いて実施した。その結果、５分〜
１０分の加熱で光ファイバのモードフィールド径が初期
の５μｍ〜１０μｍから２０μｍ以上に拡大することを
確認した。また光ファイバの比屈折率差Δが高い光ファ
イバ１２Ｂほどモードフィールド径の拡大速度が速いこ
とも判った。なお加熱温度のモニターは光ファイバと平
行に張った白金ロジウム熱電対を用いて行った。

【００２４】次に、ドーパントとしてＦを添加したＦ添
加光ファイバ１２Ｃ（△＝０．３％）を第一の実施例装
置を用いて加熱したときのモードフィールド径拡大の様
子を図６に示す。前述したＧｅ添加光ファイバのような
温度（１７００℃）では加熱温度が高すぎるので、マイ
クロバーナ１８Ａ，１８Ｂの距離とガス流量を調節して
１３００℃で加熱した。モードフィールド径を初期の１
０μｍから２０μｍ以上に拡大するために必要な加熱時
間は約７分である。この値は、従来の技術のところで紹
介した、水素／酸素ガスバーナーによる間接加熱のとき
のデータとほぼ一致する。

【００２５】つぎに本実施例の装置で作製したモードフ
ィールド径の拡大光ファイバの長さ方向におけるモード
フィールド径の分布を図５に示す。モードフィールド径
の拡大区間の長さはマイクロバーナ１８Ａ，１８Ｂを固
定して加熱した場合には５ｍｍであり、マイクロバーナ
１８Ａ，１８Ｂを光ファイバ１２と平行に走査しながら
加熱する場合には加熱区間長ｄを任意に長くできること
が判る。尚、図５中実線はバーナを固定した場合のモー
ドフィールド径の分布を示し、点線はバーナを固定点を
中心に図２中左右に１．５ｍｍづつ走査した場合のモー
ドフィールド径の分布を示した。

【００２６】図４と図５の結果から明らかなように、本
発明のモードフィールド径の拡大光ファイバ作製装置を
用いることによってＧｅ添加光ファイバのモードフィー
ルド径の拡大時間を従来の数十分の１に短縮でき、また
加熱区間長ｄとして最短５ｍｍを実現できる（図３参
照）。以上の結果より加熱区間長ｄは５〜１０ｍｍとす
るのが、光ファイバのモードフィールド径をなめらかに
拡大することができるので好ましい。

【００２７】実施例２ 図７は本発明のモードフィールド径の拡大光ファイバ作
製装置の第二の実施例の光ファイバ加熱手段だけを光フ
ァイバの固定方向と平行な方向から見た図である。尚、
他の構成は第一の実施例と同様なのでその説明は省略す
る。同図中、１２は光ファイバ、２８Ａ，２８Ｂ，２８
Ｃ，２８Ｄは同一寸法のマイクロバーナである。この４
本のマイクロバーナ（口径：０．３ｍｍ）２８Ａ〜２８
Ｄは光ファイバ１２の固定方向と直交する面内の等距離
に点対称に配置されており、光ファイバ１２に対して対
称な位置を保ったまま光ファイバ１２の固定方向と平行
方向あるいは直角方向に走査することができる。

【００２８】図２に示す本発明のモードフィールド径拡
大光ファイバ作製装置の第一の実施例の中の２本のマイ
クロバーナ１８Ａ，１８Ｂの代わりに図７の４本のマイ
クロバーナ２８Ａ〜２８Ｄを用い、４本のマイクロバー
ナ２８Ａ〜２８Ｄの炎の圧力が相殺されるようにガス流
量を制御することによって、光ファイバ１２を変形させ
ずに加熱できる最高温度は１８００℃に達した。

【００２９】モードフィールド径が異なるＧｅ添加光フ
ァイバ１２Ｄ（モードフィールド径４．５μｍ；Δ１．
８％），１２Ｅ（モードフィールド径７．８μｍ；Δ
０．８％）を融着接続したのち、第二の実施例装置を用
いて融着接続部を加熱したときの接続損失の変化を図８
に示す。同図に示すように、モードフィールド径が異な
るために１ｄＢ以上あった損失が、数分の加熱で０．１
ｄＢ以下に低減することが判る。これは加熱によって融
着接続部の２本のＧｅ添加光ファイバ１２Ｄ，１２Ｅの
モードフィールド径が拡大し、その差が小さくなったた
めである。図８の結果から明らかなように、本発明のモ
ードフィールド径拡大光ファイバ作製装置は融着接続後
の光ファイバにも使用でき、数分という短時間加熱で接
続損失を大幅に低減することができる。

【００３０】実施例３ 図９は本発明のモードフィールド径の拡大光ファイバ作
製装置の第三の実施例の光ファイバ加熱手段だけを光フ
ァイバの固定方向と平行な方向から見た図である。尚、
その他の構成は第一の実施例装置と同様なのでその説明
は省略する。同図中２２Ａ〜２２Ｌは一平面上に平行に
並べて固定されている１２本の光ファイバ、３８Ａ〜３
８Ｃ，３９Ａ〜３９Ｃは同一寸法（口径３ｍｍ）のマイ
クロバーナである。マイクロバーナ３８Ａ〜Ｃと３９Ａ
〜Ｃは光ファイバ２２の固定平面の両側の等距離に対向
して配置され、かつ光ファイバ２２の固定方向と直角方
向に並べられている。またマイクロバーナ３８Ａ〜Ｃと
３９Ａ〜Ｃは光ファイバ２２の固定平面に対して対称な
位置を保ったまま光ファイバ２２の固定方向と平行方向
あるいは直角方向に走査することができる。

【００３１】図２に示す本発明のモードフィールド径拡
大光ファイバ作製装置の第一の実施例の中の対向する１
対のマイクロバーナ１８Ａ，１８Ｂの代わりに図９の対
向する複数対のマイクロバーナ３８Ａ〜３８Ｃ，３９Ａ
〜３９Ｃを用いることによって、モードフィールド径拡
大光ファイバを同時に多数本作製することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上実施例と共に詳細に説明したよう
に、本発明によればモードフィールド径の拡大光ファイ
バを簡易に且つ実用的なコストで作製できるようになる
ので、光ファイバ接続や光部品モジュールの作製コスト
が大幅に低減し、よって経済的な光加入者系システムを
実現できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例に係る光ファイバのモー
ドフィールド径拡大装置の正面図である。

【図２】図１の平面図である。

【図３】図２の要部拡大図である。

【図４】第一の実施例装置を用いてＧｅ添加光ファイバ
を加熱したときのモードフィールド径拡大の様子を示す
グラフである。

【図５】第一の実施例装置で作製したＧｅ添加光ファイ
バの長さ方向におけるモードフィールド径の分布を示す
グラフである。

【図６】第一の実施例装置を用いてＦ添加光ファイバを
加熱したときのモードフィールド径拡大の様子を示すグ
ラフである。

【図７】本発明の第二の実施例に係る光ファイバのモー
ドフィールド径拡大装置の光ファイバ加熱手段だけを光
ファイバの固定方向と平行な方向からみた概略図であ
る。

【図８】モードフィールド径が異なる光ファイバを融着
接続したのち、第二の実施例装置を用いて融着接続部を
加熱したときの接続損失の変化を示すグラフである。

【図９】本発明の第三の実施例に係る光ファイバのモー
ドフィールド径拡大装置の光ファイバ加熱手段だけを光
ファイバの固定方向と平行な方向からみた概略図であ
る。

【符号の説明】

１１ 基台 １２，２２ 光ファイバ １２Ａ，１２Ｂ，１２Ｄ，１２Ｅ Ｇｅ添加光ファイバ １２Ｃ Ｆ添加光ファイバ １３ａ〜１３ｃ 光ファイバ固定台 １４ 可動式光ファイバ固定台 １５ ワイヤ １６ 分銅 １７ 滑車 １８Ａ，１８Ｂ，２８Ａ〜２８Ｄ，３８Ａ〜３８Ｃ，３
９Ａ〜３９Ｃ マイクロバーナ １９ プロパンガスボンベ ２０ 酸素ボンベ ２１，２２ 配管 ２３，２４ ガス流量制御器

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コアとクラッドからなる石英系光ファイ
   バを局所的に加熱し、上記コア及びクラッドのいずれか
   に添加されているドーパントを熱拡散させて光ファイバ
   のモードフィールド径を拡大させる光ファイバのモード
   フィールド径拡大装置であって、 モードフィールド径を拡大したい区間の被覆が除去され
   た光ファイバに張力を印加して該光ファイバを真っ直ぐ
   に伸ばしてなる張力印加手段と、 この真っ直ぐに伸ばされた光ファイバを真っ直ぐに伸ば
   した状態で固定してなる光ファイバ固定手段と、 上記光ファイバの被覆除去部のモードフィールド径を拡
   大させる部分に、光ファイバの固定軸方向と直交する方
   向に該光ファイバを介して等距離に対向して配設され、
   その口径が１ｍｍ以下で、プロパンガスと酸素ガスによ
   る同一寸法の二本のマイクロバーナからなる光ファイバ
   の加熱手段と、 この二本のマイクロバーナに対して等しい流量のガスを
   供給するガス流量制御手段と、 上記二本のマイクロバーナを光ファイバに対して対称な
   位置に保った状態で光ファイバの固定軸方向と平行方向
   あるいは固定軸方向と直交する方向に走査するバーナ走
   査機構とを具備してなり、 光ファイバの加熱温度が１３００℃−１８００℃である
   ことを特徴とする光ファイバのモードフィールド径拡大
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光ファイバのモードフィ
   ールド径拡大装置において、 光ファイバ加熱手段が、光ファイバの固定軸方向と直交
   する面内の等距離に点対称に配置された同一寸法の偶数
   本のマイクロバーナと、偶数本のマイクロバーナに等し
   い流量のガスを供給するガス流量制御手段と、この偶数
   本のマイクロバーナを光ファイバに対して点対称な位置
   に保ったまま光ファイバの固定軸方向と平行方向あるい
   は固定軸方向と直交する方向に走査するバーナ走査機構
   とを具備してなることを特徴とする光ファイバのモード
   フィールド径拡大装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の光ファイバのモードフィ
   ールド径拡大装置において、 光ファイバの加熱手段が、同一平面上に平行に並べて固
   定された複数本の光ファイバの固定平面の両側の等距離
   に対向して配設され、且つ光ファイバの固定軸方向と直
   交する方向に並べられている同一寸法の複数組のマイク
   ロバーナと、複数組のマイクロバーナに等しい流量のガ
   スを供給するガス流量制御手段と、複数組のマイクロバ
   ーナを光ファイバ固定平面に対して対称な位置に保った
   まま光ファイバの固定軸方向と平行方向あるいは固定軸
   方向と直交する方向に走査するバーナ走査機構とを具備
   してなることを特徴とする光ファイバのモードフィール
   ド径拡大装置。