JP3615763B2 - ファイバ反射体 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、光ファイバ反射体を生産する方法、この方法によって作ったファイバ反射体、および光ネットワークの機能を検証するためのこのファイバ反射体の利用法に関する。
背景
光ファイバの内部反射は、例えば、センサ目的のためおよび光ファイバネットワークの機能を検証するため等、幾つかの用途を持つ。光ファイバの中を透過する光が反射体で反射され、この反射された光を検出することができる。
従来技術
光ファイバの中で内面反射を発生する光反射体およびそのような反射体を作るための方法は、先に米国特許第4,892,388号および第4,400,056号から知られている。しかし、従来の方法はかなり複雑なので、光ファイバの中の反射体の簡単な生産方法を提供する必要がある。
米国特許第5,210,801号で、扁平な導波路または矩形断面の導波路を構成する光学部品が開示されていて、空洞が導波路のコアに隣接して位置するように配設されているが、この導波路コアの材料がこの空洞に直接位置するようには配設されていない。これらの部品の生産は、電子集積回路および光プレーナ型回路（optical planar cirwits）を製造するために使用される、従来の、プロセス技術の、比較的複雑でコストの掛る方法で行われる。
発明の説明
この発明の目的は、光ファイバの中で内部反射を起こさせるための簡単な方法を提供することである。
光ファイバ内で内部反射を得るための内部反射体を備えた光ファイバを提供することも、この発明の目的である。
上記の目的は、この発明によって達成され、その詳細な特徴を添付の請求項に示す。
それで、管理された方法で、主として空気で満たされた気泡、即ち小さな空洞が、エッチングまたは溶接法によって光ファイバのコアに導入され、それによって広帯域ファイバ反射体が得られる。最初に、このファイバ端が剥がされ、即ちその外部保護層が取除かれ、次に従来の方法で切断して、このファイバ端の縦方向に実質的に直角に位置する、実質的に平坦な端面が得られる。その後このようにして形成された端面に、ピット（pit）または凹所（recess）がコア領域、即ちこのファイバコアがこの端面で終る領域に作られる。このピットは、研磨のような機械的方法によって、またはレーザビームでこの端面を処理することによって適切な位置の材料を除去して作ることができる。しかし、ファイバ端が、例えば稀釈したフッ化水素酸、またはそれとフッ化アンモニウムのような類似の物質との混合物でエッチングされる化学的処理が好ましい。高濃度にドーピングされたコアがクラッドより速くエッチングされるので、それによって凹所が形成される。次に、このエッチングされたファイバ端が標準ファイバに結合または接合、この好適例では溶接される。この標準ファイバは、この好適例では実質的に平坦な端面を有し、それは通常の方法で切断され、このファイバ端の縦方向に実質的に直角に位置し、その結果、気泡がこのコアに封入されることになる。この反射の大きさは、接合または結合領域の溶接で使ったのと同じ方法で、加熱作業を繰返すことによって、および／または気泡を空気以外の媒体で満たすことによって、またはその壁の一つを適当な材料、例えば金属で被覆することによって、変えることができる。
一般的に、光ファイバは、ファイバコアおよびこのコアを囲むクラッドを有する。反射体を作るために、空洞がこの光ファイバに、特にファイバコアに配設される。この空洞は、全体的にこのファイバの材料で完全に囲まれ、このファイバに導入され、それに沿って伝搬する光がこの空洞によってかなり妨害されるほどコアに近く位置し、その結果、それは部分的に反射される。それは、このファイバコア材料がこの空洞まで延在し、特にこの空洞をコアの材料で実質的に完全に封入し、または完全に囲むことができるという事実によって得られる。上に議論したものを生産するために、この空洞は、二つの対向する大きなアーチ状または湾曲した面を有する、実質的にレンズ形状または実質的に扁平な楕円体の形状を有する。そこで、ファイバコアの材料が少なくともこれらの大きな面の中央部まで、およびことによると小さな、外部縁領域を除いて、これらの面のほぼ全てまでにも延在する。
この空洞の中に、この光ファイバの中を伝搬する光波に対するこの空洞の反射能力を増す物質を設けることができる。そのような物質は、特にこの空洞を囲む光ファイバの中の材料およびこの光ファイバの反射率と異なる反射率を有してもよく、またはそれが金属材料でもよい。この物質は、金属材料としては、実質的に固体の形態をとることができ、それで層として、この空洞の一つの面だけに、上記したものによる大きな面の一つに、または一般的にこの導波路コアの方を向いた若しくはこの導波路コアにある一つの面だけに、またはこのファイバの縦方向に、実質的に一方向に向いた一つの面だけに、堆積することができる。
図面の説明
さて、この発明を、非限定的な実施例と添付の図面を参照して、更に詳しく説明する。これらの図面で：
−第１図は、端面がエッチングされたファイバ端を示し、
−第２図は、封入された空洞を有する接合されたファイバを示し、
−第３図は、ファイバ端面の処理を示し、
−第４図は、光ファイバの接合を模式的に示し、
−第５図は、光ファイバの被覆された端の断面を示し、
−第６図は、第５図によって被覆された端の被覆を部分的に除去した断面を示し、
−第７図は、光ネットワークの機能を検証するために使う光ファイバの中の内部反射を示す。
好適実施例の説明
第１図に、光ファイバ１の端を示す。それは、普通のファイバコア３、このコアを囲むクラッド５および外部被覆層７を有する。遠距離通信用に使用する従来の石英ガラスファイバに対しては、コア３とクラッド５は、適切なドーピングによって作った、反射率の大きさが異なる石英ガラスから成り、外部被覆層は、何らかのポリマーで作る。内部反射体を作る際、最初に外部保護層７をこのファイバの一端から適当な距離に亘って除去する。次に、このファイバの端を水で稀釈した、あるいは11で指示されたミキサーによる混合中にフッ化アンモニウム、NH₄Fと混ぜた、フッ化水素酸の形でエッチング液の入った容器９の中に浸漬する（第３図参照）。このファイバの中のガラスを上記の液の一つでエッチングするとき、より高濃度にドーピングされたファイバコア３が、クラッド５より速くエッチングされ、それでファイバの端面にピットまたは凹所13ができる（第１図参照）。このピット13は、ファイバの種類によって、多かれ少なかれまさにこのファイバコア３そのものによく同限できる。しかし、ファイバコアの領域とクラッドの領域との間の端面の連続遷移は、段階（ステップ）屈折率型ファイバに対しても、常に得られる。
次に、コア領域内にピットまたは凹所13を含むファイバ１の端面を、もう一つの光ファイバの端面に接合する。接合法は、融接として行うのが都合よく、その加熱は、後に説明する電孤によるとか、レーザビーム、水素ガス炎等によるとか、何らかの方法で行う。例えば、適当な取付け具の整列したＶ溝によるなど、完全に機械的接合も考えられる。
このようにして、一端面にピット13を含むファイバ１を、第４図に中心部品のいくつかを示す、全体的に15で指示されるファイバ溶接装置に、ファイバの一方として挿入する。次に、このファイバ部１を一つのチャック17の案内に取付け、このチャックは、この溶接機15のある支持体19上に置かれている。反対のチャック17'に、同様なファイバ1'を置き、そのファイバは、従来の方法で垂直に切断されているが、ピット13を作るようには処理されていない。溶接機15で、電極20に高圧を供給することによってそれを作動し、それによってそれらの間に電孤を作る。それが熱を発生し、二つのファイバ１および1'の端が融け、これらの端は、この溶接段階で、互いにかなり接近して配置されている。ファイバ端が十分に融けたとき、それらを互いにいくらか押しつけ、融けた材料が一緒に流れてファイバ端を互いに溶接し、その後、電極20への電圧供給を遮断することによって、電孤を消し、最後にできた接合部を冷却する。
第２図に示すように、溶接領域21で互いに溶接された、二つのファイバ１および1'の端を含む、複合ファイバが得られる。ファイバの一つの端にあるピット13のために、溶接後、小さな気泡すなわち空洞23が、接合溶接したファイバのファイバコアにできる。これまでに気が付いたかも知れないが、この気泡は、ファイバコアの中に完全に封入され、どんな場合も実質的に常にコア領域内に、即ち、反射率が変り、ファイバクラッド５の主要部の反射率とは異なる、ファイバの中央領域内にある。この気泡23は、ファイバコアの不連続部であり、この光ファイバの中を透過する電磁波のための反射体または鏡として作用する。
気泡23は、この光ファイバに沿って伝搬する光波の輻射場（radiation field）に影響するような大きさでなければならない。それは、その寸法が一般的にファイバコアの直径と同じオーダの大きさであるべきこと、および通常、ファイバの縦方向に見たその幅に等しい、その最小横断方向の大きさは、例えば、コア直径の1/5または1/10を超えなければならないことを意味する。更に、大抵の場合光波も、仮にその強度が低下したとしても、ファイバの中を前進し続けることが望ましいので、この空洞は光波を広範囲に亘って妨害すべきではない。
出来た気泡23の大きさ、従ってこの気泡23による反射の大きさは、ファイバ１および1'を互いに溶接してから、この溶接した接合部を、例えば、溶接装置15の電孤によって、溶融状態にまたは溶融状態に近く更に加熱する工程を施すことによって、ある程度変えることができる。この更なる加熱作業で、封入された気泡の大きさもだんだん小さくなり、それで反射率またはその代りに減衰量も小さくなる。
その方法でコア領域に作った気泡23は、異なる波長の光に対して反射を生ずる。これまで、この反射率を生産条件を変えることによって、−20dBから下方に変えることが可能であった。
封入した気泡23のために反射率を増加する方法は、ファイバ端を接合する前に、エッチングしたピット13に空気以外の物質を満たすことでもよい。その例を、第５図および第６図に示す。それで、第５図にエッチングしたピット13を有するファイバ端の断面を示し、そこではこのファイバ端の全体に、即ち、特に垂直に切断された、平らな端面の上およびピット13の上に、金属層25が付着している。この層25は、蒸着のような、何らかの付着法によって被覆した金属層でもよい。その後、第６図の断面図に示すように、この層25の殆どをこのファイバの端面上から除去する。もし、このファイバの端面を適当な方法で研磨すれば、金属材料がピット13の中には残るが、端面の他の部分には残らない。ピット13の中に残った材料27は、このファイバ１の端を、上記と同じ方法で、特別に処理しない端面を持つ他の光ファイバに溶接することによって得た、完成したファイバの反射を増す。
第７図に、封入した気泡または不連続部を含む、この方法で作った光ファイバ１、1'を、ファイバ光ネットワークの作用を点検するために使う方法を模式的に示す（公告番号WO90/06498の国際特許出願参照）。例えば、OTDR（光時間領域反射率計法）を利用できる、制御および監視ユニット29を光ファイバネットワークの幹線31に適当な方法で結合する。この幹線31は、更に光カップラ33に接続され、そこから個々の支線39が伸びている。各支線35に、接合したファイバ１、1'から成り、この接合部に作られた反射体21を含む溶接組立体を接続する。制御および監視ユニット29がこの幹線31の中に光パルスを発射し、それを更に支線35へ分配する。発射した光は、ファイバ組立体１、1'の中の反射器で反射され、制御および監視ユニット29がこの戻り光を検出する。もし、これらの反射体21がこの制御および監視ユニット29から異なる光学距離にあれば、この異なる支線35からの反射を判別することが出来る。もし、ある支線35に中断が起れば、この支線の反射体21からの初期の（early）反射が停止し、それによって接続されたどの支線35に欠陥があるか間違っているかを決定できる。この場合、制御および監視ユニット29は、問題の支線が誤っていると検出したことを示すための警報または適当な信号を出力することができる。

Claims (26)

1. 遠距離通信用光ファイバにおいて、
   ファイバコア、
   該ファイバコアを囲むクラッド、および
   前記光ファイバに沿った第１の方向に伝搬する光を反射するための前記光ファイバにおける反射体であって、反射された光が前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記光ファイバに沿って伝搬するようにした反射体、を含む光ファイバであって、
   前記反射体が前記光ファイバにおける空洞によって形成され、前記光ファイバに沿って伝搬する光を妨害して光を部分的に反射するよう位置され、そして、
   前記光ファイバにおいて伝搬する光波のために前記空洞の反射能力を増大するための物質が前記空洞内に配置されていることを特徴とする遠距離通信用光ファイバ。
2. 前記物質が前記空洞を包囲する前記光ファイバにおける材料の反射率とは異なった反射率を有することを特徴とする請求項１に記載された遠距離通信用光ファイバ。
3. 前記物質が空気を包含することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかの１項に記載された遠距離通信用光ファイバ。
4. 前記物質が金属を包含することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの１項に記載された遠距離通信用光ファイバ。
5. 前記ファイバコアにおける材料が前記空洞まで延びていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの１項に記載された遠距離通信用光ファイバ。
6. 前記空洞が前記ファイバコアの材料により実質的に完全に包囲されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの１項に記載された遠距離通信用光ファイバ。
7. 前記空洞は、
   ２つの対向する大きく曲がったまたはアーチ形をした表面を有する実質的にレンズの形状、
   ２つの対向した大きく曲がったあるいはアーチ形をした表面を有する実質的に平坦化された楕円形本体形状、および
   対向した大きな表面の一つの少なくとも中央部分まで延びているファイバコアの材料、の中の一つを有することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの１項に記載された遠距離通信用光ファイバ。
8. 前記物質が実質的に固体の形状を有することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかの１項に記載された遠距離通信用光ファイバ。
9. 前記物質が前記空洞における一つの表面のみの上に被覆されていることを特徴とする請求項８に記載された遠距離通信用光ファイバ。
10. クラッドによって囲まれたコアを有する遠距離通信用光ファイバにおける反射体である、第１の方向から該第１の方向とは反対の第２の方向に前記光ファイバに沿って伝搬する光を反射する反射体を製造する方法であって、
    光学ファイバの第１片の第１端面にして、光学ファイバの前記第１片の軸線に対して実質的に直角方向にある第１端面上に凹所を形成する段階、および
    光ファイバの第２片の第２端面にして、光ファイバの第２片の軸線に対して実質的に直角の前記第２端面に前記第１端面を接合する段階、を含み、
    前記第１端面および前記第２端面によって包囲される空洞が設けられて、前記空洞が反射体を形成することを特徴とする反射体を製造する方法。
11. 前記第１端面が前記第２端面にこれらの端面を溶融することによって接合されることを特徴とする請求項10に記載された反射体を製造する方法。
12. 前記第１端面を前記第２端面に溶接することにより前記第１端面が前記第２端面に接合されることを特徴とする請求項10に記載された反射体を製造する方法。
13. 前記端面上に前記凹所を形成する段階が前記ファイバコアの端面に相当する区域の内部のみに前記凹所を形成することを含むことを特徴とする請求項10から請求項12までのいずれかの１項に記載された反射体を製造する方法。
14. 前記端面上に前記凹所を形成する段階が前記第１端面を化学的に処理することを含むことを特徴とする請求項10から請求項13までのいずれかの１項に記載された反射体を製造する方法。
15. 前記第１端面がフッ化水素酸および／またはフッ化アンモニウムとフッ化水素酸との混合物の一方で化学的に処理されることを特徴とする請求項14に記載された反射体を製造する方法。
16. 前記第１端面上に凹所を形成する段階が前記第１端面をエッチングすることを含むことを特徴とする請求項10に記載された反射体を製造する方法。
17. 前記第１端面が前記第１片における材料および前記第１片における前記コアの外側の材料のために異なったエッチング速度を有する物質でエッチングされることを特徴とする請求項16に記載された反射体を製造する方法。
18. 前記空洞内に物質を導入する段階をさらに含み、前記物質が前記光ファイバに沿って伝搬する光波に対して前記空洞の反射能力を増大するよう選択されることを特徴とする請求項10から請求項17までのいずれかの１項に記載された反射体を製造する方法。
19. 前記空洞内に物質を導入する段階が前記第１光ファイバ片においてかつ前記空洞を取り囲む前記第２光ファイバ片において材料の反射率とは異なった反射率を有するように前記物質を選択することを含むことを特徴とする請求項18に記載された反射体を製造する方法。
20. 前記空洞内に物質を導入する段階が前記空洞内に金属材料を導入することによって実行されることを特徴とする請求項18または請求項19のいずれかの１項に記載された反射体を製造する方法。
21. 前記空洞内に物質を導入する段階が前記第１端面を前記第２端面に接合する前に、前記凹所に前記物質を導入することによって実行されることを特徴とする請求項18から請求項20までのいずれかの１項に記載された反射体を製造する方法。
22. さらに、前記第１端面を前記第２端面に接合する前に、前記光ファイバにおいて伝搬する光波のために前記空洞の反射能力を増大するように前記第１端面を物質の層で被覆する段階、および
    次ぎに、前記層が前記凹所を除いた前記端面上のいずれの箇所でも取り除かれるように、前記被覆された端面を平坦形状に研磨する段階、をさらに含むことを特徴とする請求項10から請求項17までのいずれかの１項に記載された遠距離通信用光ファイバ反射体を製造する方法。
23. 前記第１端面を物質の層で被覆する段階が前記第１光ファイバ片においてかつ前記空洞を取り巻く前記第２光ファイバ片において材料の反射率とは異なった反射率を有するよう前記物質を選択することを含むことを特徴とする請求項22に記載された反射体を製造する方法。
24. 前記第１端面上に物質を被覆する段階が溶融材料で被覆することにより実行されることを特徴とする請求項22から請求項23までのいずれかの１項に記載された反射体を製造する方法。
25. 前記第１端面が前記第２端面に、接合部を形成するように前記端面を互いに溶融することによって接合され、そして、前記第１端面を前記第２端面に接合した後、前記製造された反射体の反射能力を減少するために前記ファイバ片における材料の溶融温度近くの温度に前記接合部を加熱する段階をさらに含むことを特徴とする請求項10から請求項24までのいずれかの１項に記載された反射体を製造する方法。
26. 幹線および該幹線に接続された数本の支線を含む光ネットワークにおいて、請求項１から請求項９までのいずれかの１項に記載された光ファイバの使用方法であって、
    監視ニットが前記幹線に接続されて置かれ、
    請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された反射体を各々含む光ファイバ片が各支線に置かれ、前記反射体が前記監視モニターユニットから異なった大きな光学距離の位置に位置され、そして
    前記監視モニターユニットが前記反射対からの反射光を検知しかつ信号を提供しある他の方法で指示するよう配置され、その場合に反射体からの反射光が検知されないことを特徴とする光ファイバの使用方法。

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