JP2868627B2 - スター型光ファイバカプラおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入出射端末として光フ
ァイバを有する光カプラのうち、入出力ポートが多数本
あるスター型光ファイバカプラを再現性良く安価に提供
するためのものであり、特に光ファイバ通信において利
用価値が高い。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信においては、光源から出
射した光や、光ファイバ中を伝搬する光を分岐、合流、
分波または合波する技術が非常に重要である。ここで、
分岐、合流という表現は、光の波長とは無関係に複数の
光を分けたり、重ね合わせ特定の方向に流すことを言
う。また分波、合波という表現は、異なる波長の複数の
光を扱う時に用い、分波は複数の波長の光が存在する光
ビームの中から特定の波長の光を取り出す際に、一方、
合波は複数の波長の光を一つの光ビームにまとめるとき
に用いる。分岐、合流、分波、合波の技術は、光ファイ
バ通信に限るものではないが、光ファイバ通信では、光
ファイバ中を伝搬する光を可能な限り外に出さないで処
理することが望まれている。すなわち、光ファイバ内を
伝搬している光を一旦外に出すと、再び光ファイバ中に
入射するためにレンズなどの光学系を使用する必要があ
り、このときに結合損を生じる。また様々な光学系の表
面では、通常、光の反射が生じるので、不必要な光が逆
方向に戻って行き、これにより通信で使用している光
源、例えばレーザダイオードの動作状態を不安定にした
りする。

【０００３】これらの観点から、光ファイバ中の光をな
るべくファイバ外に出さないようにして、光の分岐、合
流、分波、合波を行わせる素子として、光ファイバカプ
ラがある。光ファイバカプラにも種々のタイプがあり、
最も量産されているのは融着延伸型の光ファイバカプラ
である。この融着延伸の光ファイバカプラは、図１２に
示すように、２本の光ファイバ１,１を互いに添わせた
後、適当な熱源、例えば水素などの燃焼ガスバーナ２で
加熱して融着させ、更に長手方向に引っ張って延伸す
る。この結果、延伸部分３のファイバのコアは細めら
れ、延伸前にコア中を伝搬していた光は、大きくクラッ
ド側にしみ出すようになる。この結果、２つのコアの伝
搬モード間に電磁的な結合が生じてカプラとしての作用
をするようになる。使用するファイバの種類によって、
様々なカプラ、例えば単一モードファイバカプラ、多モ
ードファイバカプラ、偏波保持ファイバカプラなどがあ
るが、現在の光ファイバ通信では単一モードファイバが
主流となっているために、光ファイバカプラにおいても
単一モードファイバカプラが主流となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな融着延伸型の光ファイバカプラにあっては、光ファ
イバを２本組み合わせたカプラについては、比較的容易
に作製できるが、複数のファイバの間で同時に結合を起
こさせる光ファイバカプラの作製は容易でない。具体的
には、図１３に示すようなＭ×Ｎ型スターカプラ４につ
いては融着延伸で一度に作製するのが難しく、例えば８
×８スターカプラ５では、２本の光ファイバを融着延伸
した１２個の２×２ファイバカプラ６を、図１４に示す
ように１２個接続して目的を達する。ここで使用する２
×２ファイバカプラ６は、使用波長での分岐比が５０％
対５０％のものである。このように８×８スターカプラ
を実現するのに１２個の２×２ファイバカプラが必要で
あり、仮に１２８×１２８スターカプラを実現するには
４４８個という数多くの２×２ファイバカプラが必要と
なり、構造が複雑となり、カプラの大型化を招いてしま
う。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、構造が簡単なスター型光ファイバカプラの提供を目
的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のスター型光ファ
イバカプラは、入射側もしくは出射側のポート数が、少
なくとも３以上である融着延伸型の光ファイバカプラに
おいて、光ファイバのクラッドの屈折率よりも低屈折率
のガラス棒の周囲に、パラメータの異なる少なくとも３
種類以上の光ファイバを並べ、一部に融着延伸部分を形
成した構成とし、上記課題を解決した。

【０００７】また、カプラを構成するファイバが、実質
的に隣接する２本以下のファイバと結合状態となり、他
のファイバと結合状態とならないように配置され、かつ
隣接する２本のファイバのパラメータが実質的に異なっ
ている構成としても良い。

【０００８】また上記スター型光ファイバカプラの製造
方法としては、ファイバのクラッドの屈折率よりも低い
屈折率のガラス棒の周囲に、該ガラス棒の軸と平行に、
複数の光ファイバを隙間なく、かつ１層のみ配置し、こ
れを加熱して融着、延伸する製造方法が好ましい。

【０００９】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明
する。

【００１０】図１および図２は、本発明のスター型光フ
ァイバカプラの製造方法の一例を説明するための図であ
る。この例では、まず、図１に示すように、ガラス棒１
０の表面に、コア径やコアとクラッド間の比屈折率差な
どのパラメータが異なる３種類の光ファイバ１１a,１１
b,１１cを接触した状態に並べる。

【００１１】このガラス棒１０は、ファイバのクラッド
の屈折率よりも低い屈折率を有するガラス材料、例えば
フッ素をドープした石英から構成されている。なお、こ
の例では円柱状のガラス棒１０を用いたが、このガラス
棒１０の代わりにガラス管やガラス角棒等の別の材料を
使用することが可能であるが、延伸の均一性という点で
円柱状のガラス棒が好ましい。

【００１２】このガラス棒１０の屈折率を、光ファイバ
のクラッドの屈折率よりも低くする理由は、光ファイバ
１１a,１１b,１１cとガラス棒１０とを一体として加熱
し、融着、延伸した時に、光ファイバのコアからクラッ
ド内にしみ出した光がガラス棒１０内にも広がってしま
うことを防ぐためである。また通常の融着延伸型光ファ
イバカプラでは、延伸するとファイバ外径が、延伸前の
３分の１〜５分の１程度に細くなる。この結果、延伸さ
れたファイバは曲がり易く、引っ張り強度の点でも弱い
ものである。これを防ぐためには融着延伸部分に十分な
補強が必要であるが、この補強工程でもやはり融着延伸
部分の取り扱いには格別の注意が要求される。これに対
して本発明では、光ファイバと別に用意したガラス棒１
０が強度部材の役割を果たすので、曲がりが発生しにく
く、かつ引っ張り強度の面でも補強された光ファイバカ
プラを得ることができる。

【００１３】次に、図２に示すように、ガラス棒１０表
面に多数本の光ファイバカプラ１１a,１１b,１１cを並
べたものの中央部分を酸水素バーナ１２で加熱し、光フ
ァイバカプラとガラス棒１０を融着させるとともに、長
手方向に引っ張って延伸し、融着延伸部分１３を形成す
る。この加熱、融着延伸のための熱源としては酸水素バ
ーナ１２に限定されることなく、電熱ヒータ、炭酸ガス
レーザ等のレーザ加熱装置も使用可能である。以上の工
程によってスター型光ファイバカプラ１４が作製され
る。

【００１４】このように作製されたスター型光ファイバ
カプラ１４は、低屈折率のガラス棒１０の周囲に、パラ
メータの異なる３種類の光ファイバ１１a,１１b,１１c
を交互に隙間なく並べ、その一部に融着延伸部分１３を
形成したものである。そしてこの融着延伸部分１３で
は、図３に示すように低屈折率のガラス棒１０の周囲
に、このガラス棒１０とともに融着延伸された多数の光
ファイバが、隣接する光ファイバどうしのクラッド部１
６が融着し合い、またそれぞれのコア１５が細められて
接近した状態になっている。また図４は、融着延伸部分
１３の屈折率分布および光パワー分布１７を示してい
る。

【００１５】このような構成とすることにより、各光フ
ァイバ間の結合は、実質的に隣接ファイバ間のみで行な
われる。ただし光ファイバは、ガラス棒１０の周囲を取
り巻いているので、所定の光ファイバに入射した光は融
着延伸部分１３を通過するときに徐々に隣接したファイ
バを伝わって結合する。しかし実験の結果によれば、同
一規格のファイバを使用して図５に示す光ファイバカプ
ラ１４bを作製した場合、任意の１入力ポートに光Ａを
入射した時のそれぞれの出射ファイバにおける出力光Ｂ
のばらつきは大きくなってしまう。図６にその一例を示
すが、同一パラメータの光ファイバ１８を用いて作製さ
れたスター型光ファイバカプラ１４bでの出射ポートに
おける出射パワーは、最大値(Ｍax.)が４.８％(対入力
相対比)、最小値(Ｍin.)が１.０％、平均値(Ａv.)が２.
７％であり、出射ファイバ間でかなりのばらつきを生じ
た。

【００１６】これに対し、３種類の異なる光ファイバ１
１a,１１b,１１cを用いたスター型光ファイバカプラ１
１では、この出射ファイバ間のばらつきが低減されるこ
とが分かった。

【００１７】この理由については、次のように説明され
る。すなわち本発明によるスター型光ファイバカプラ１
４の融着延伸部分１３は、図３に示すように複数の光フ
ァイバ１１a,１１b,１１cが互いに融着されて、いわば
１つの導波路を形成している。この結果、融着延伸部分
の断面では図７ないし図１０に示すような複数のモード
が存在することになる。これらのモードのエネルギーは
中央のガラス棒１０部分(低屈折率部分)には入り込まな
いと考えられる。それは、この部分の屈折率がファイバ
部分にくらべて低いために電磁界分布はカプラの径方向
に減衰解になっているからである。またその周回方向に
は、図７ないし図１０に模式的に示すように電磁界が高
次のベッセル関数になっているであろう。すなわち、図
７は基本モードの分布、図８は２次モードの分布、図９
は３次モードの分布、図１０は４次モードの分布を示し
ている。実際の電磁界はそれらのモードの重ね合わせと
して表現され、例えば、ある１本のファイバから励振さ
れた光は、カプラの中を伝搬するにつれて、徐々に他の
モードに変換されて行く。

【００１８】しかし、そのときのモードの形は、融着延
伸部分１３を構成する個々のファイバ、特にコアの位置
や屈折率分布形状の影響を最後まで受けていると考えら
れる。そのため、カプラを構成するファイバが同一のパ
ラメータを有するファイバの場合には、融着延伸部分１
３の断面を見たときの周回方向の周期性、もしくは規則
性があるために、特定のファイバからの出射光が強くな
ったり、また別のファイバからの出射光が弱くなったり
するものと考えられる。

【００１９】これに対し、本発明のスター型光ファイバ
カプラは、隣接する光ファイバのパラメータが異なるた
めに、図７ないし図１０に示す融着延伸部分１３のモー
ドの形状に摂動が付与され、いわゆるランダム化の効果
が働くことにより、各ファイバ間の出射光のパワーが平
均化されるものと考えられる。

【００２０】以上のように、このスター型光ファイバカ
プラは、低屈折率なガラス棒１０の周囲に、パラメータ
の異なる３種類の光ファイバを並べ、その一部を加熱、
融着、延伸して融着延伸部分を形成した構成としたの
で、融着延伸部分でのモードの形状に摂動が付与されて
各ファイバ間の出射パワーが平均化される。従って、こ
のスター型光ファイバカプラは構造が簡略となり、スタ
ーカプラの小型化を図ることができる。

【００２１】またガラス棒１０の周囲に多数本の光ファ
イバを並べてその一部を融着延伸した構成なので、中心
のガラス棒が融着延伸部分の補強材となって強度的に安
定なスター型光ファイバカプラが得られる。

【００２２】さらに形成された融着延伸部分は曲がりを
受け難く、環境変化に対して安定なスター型光ファイバ
カプラを提供できる。

【００２３】

【実施例】直径１.０７mmのガラス棒を準備した。ガラ
ス棒の材質は、フッ素を添加した石英ガラスであり、そ
の屈折率は純粋な石英ガラスと比べて約０.４％低くな
っている。この表面に、ファイバ外径１２５μm、コ
ア径１０μm、コアとクラッド間の比屈折率差０.３０
％、ファイバ外径１２５μm、コア径９.５μm、コア
とクラッド間の比屈折率差０.３４％、ファイバ外径
１２５μm、コア径９μm、コアとクラッド間の比屈折率
差０.３８％のパラメータが異なる３種類のファイバを
交互に３０本縦添えし、酸水素バーナで加熱してガラス
棒とファイバとを互いに融着した。これをガラス棒の長
手方向に引っ張って延伸した。

【００２４】この延伸の際にファイバ間の結合の様子を
モニターし、延伸長と出射パワー(入射光に対する出射
光の相対値)の関係を調べ、その結果を図１１に示し
た。このモニターは、３０本のファイバのうちの１本の
一端から光を入射して、反対側の１５本目のファイバの
他端から出射する光パワーをモニターして行った。モニ
ターした光の波長は１.５５μmである。モニターを行い
ながら適当な延伸量で延伸を止め、その後得られたカプ
ラ全体を、補強パイプ内に入れて接着して補強した。

【００２５】得られたスター型光ファイバカプラは、任
意のファイバから光を入射すると、出射側の３０本の出
射ポートから光が出射され、各出射ポートの結合度(入
射光と出射光の相対比)は、最大結合度３.９％、最小結
合度２.４％、平均結合度３.２％と平均化されていた。

【００２６】一方、比較のために、上記ガラス棒の周囲
に、上記のファイバを３０本並べ、融着延伸してスタ
ー型光ファイバカプラを作製し、先のカプラと同様に各
出射ポートの結合度を測定した。その結果、各出射ポー
トの結合度は図６に示すようにばらつきが大きく、最大
結合度４.８％、最小結合度１.０％、平均結合度２.７
％であった。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のスター型
光ファイバカプラは、低屈折率なガラス棒の周囲に、パ
ラメータの異なる少なくとも３種類の光ファイバを交互
に並べ、その一部を加熱、融着、延伸して融着延伸部分
を形成して構成したので、融着延伸部分でのモードの形
状に摂動が付与されて各ファイバ間の出射パワーが平均
化される。従って本発明によれば、スター型光ファイバ
カプラの構造を簡略化でき、カプラの小型化を図ること
ができる。

【００２８】またガラス棒の周囲に多数本の光ファイバ
を並べてその一部を融着延伸した構成なので、中心のガ
ラス棒が融着延伸部分の補強材となって強度的に安定な
光ファイバカプラが得られる。

【００２９】さらに、形成された融着延伸部分は曲がり
を受け難く、環境変化に対して安定な光カプラを提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスター型光ファイバカプラの製造方法
の一例を示す斜視図である。

【図２】本発明のスター型光ファイバカプラの一例を示
す斜視図である。

【図３】同カプラの要部概略断面図である。

【図４】同カプラの融着延伸部分の屈折率分布を示すグ
ラフである。

【図５】スター型光ファイバカプラの比較例を示す側面
図である。

【図６】同カプラの出射ポートの結合度を例示するグラ
フである。

【図７】同カプラでの基本モード分布を示す概略図であ
る。

【図８】同カプラでの２次モード分布を示す概略図であ
る。

【図９】同カプラでの３次モード分布を示す概略図であ
る。

【図１０】同カプラでの４次モード分布を示す概略図で
ある。

【図１１】本発明の実施例で作製されたカプラの延伸長
と出射パワーの関係を示すグラフである。

【図１２】従来の光ファイバカプラの製造法を示す概略
図である。

【図１３】従来のＭ×Ｎ型カプラを示す概略図である。

【図１４】従来の８×８カプラの構造を示す概略図であ
る。

【符号の説明】

１０ ガラス棒 １１a,１１b,１１c 光ファイバ １２ 酸水素バーナ １３ 融着延伸部分 １４ スター型光ファイバカプラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宍倉 伸一郎 千葉県佐倉市六崎1440番地 藤倉電線株 式会社 佐倉工場内 (56)参考文献 特開 昭63−66515（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/28 G02B 6/287

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射側もしくは出射側のポート数が、少
   なくとも３以上である融着延伸型の光ファイバカプラに
   おいて、光ファイバのクラッドの屈折率よりも低屈折率
   のガラス棒の周囲に、パラメータの異なる少なくとも３
   種類以上の光ファイバが並べられ、一部に融着延伸部分
   が形成されてなることを特徴とするスター型光ファイバ
   カプラ。
2. 【請求項２】 カプラを構成するファイバが、実質的に
   隣接する２本以下のファイバと結合状態となり、他のフ
   ァイバと結合状態とならないように配置され、かつ隣接
   する２本のファイバのパラメータが実質的に異なってい
   ることを特徴とする請求項１に記載のスター型光ファイ
   バカプラ。
3. 【請求項３】 ファイバのクラッドの屈折率よりも低屈
   折率のガラス棒の周囲に、該ガラス棒の軸と平行に、複
   数の光ファイバを隙間なく、かつ１層のみ配置し、これ
   を加熱して融着、延伸することを特徴とするスター型光
   ファイバカプラの製造方法。