JP3974106B2 - 広帯域光ファイバカプラおよびその製造方法並びにその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムや光センサシステム等において光信号の分岐・結合・合分波等に用いられる広帯域光ファイバカプラ、およびその製造方法並びにその製造装置に関し、特に、光ファイバカプラ型の広帯域光分岐結合器（光ファイバスプリッタ）に関するものである。

光通信システムにおいては、大容量の通信を行うために、複数の波長の光を用いて送受信を行う波長多重通信方式が提案されている。波長多重通信方式の光通信システムでは、光信号のモニターや分配等に用いる光ファイバカプラにおいて複数の各波長の光信号が同等に分岐されること、つまり、波長の違いにより各波長の光の分岐比・結合比（以下、光結合度と記す）が変化しないことが、システム構築上の重要な要素とされている。このような波長特性の平坦な光ファイバカプラは、光通信システム以外でも適用範囲は広く、光センサシステム等への応用としても好適な部品となっている。このため、このような光通信システムに用いるための、波長依存性の少ない光ファイバカプラが種々提案されている。

例えば、２分岐の広帯域光ファイバカプラ（１×２光ファイバカプラまたは２×２光ファイバカプラ）の場合、各光ファイバ間で伝搬定数に差をつけることにより、波長依存性を低減させることが行われている（特許文献１参照）。光結合部で互いの伝搬定数が異なる場合、光結合は不完全な結合となり、最大結合度は１００％以下になる。従って、伝搬定数の差を制御することにより、光結合部での最大結合度を５０％以下まで制御することが可能となり、結果的に広帯域で均一に近い分岐比が実現できる。伝搬定数に差をつけるには、光結合部で、各々の光ファイバの外径、コア径、比屈折率差（カットオフ）等が互いに異なっている必要がある。

広帯域化の具体的な方法としては、同一の光ファイバで前処理により光結合部での伝搬定数に差をつけるか、もともと異なる光ファイバを用いるかのどちらかとなる。前者の例としては、同一の２本の光ファイバのうちの１本の光ファイバを加熱延伸し、テーパー部分を有する細径部を形成した後、加熱延伸した１本の光ファイバの細径部において、両光ファイバを融着延伸するプリ延伸法（特許文献２および特許文献３参照）、同一の２本の光ファイバのうちの１本の光ファイバについて、コアにドーパントを熱拡散させて屈折率分布を調整した後、両光ファイバを融着延伸するコア拡散法（特許文献４参照）や、エッチング法、研磨法等がある。また、後者の例としては、外径、コア径、比屈折率差（カットオフ）等が予め異なる光ファイバを用いることが提案されている。更に、比屈折率差が予め異なる２本の光ファイバの一部を融着延伸する、前者の方法と後者の方法とを組み合わせた方法もある（特許文献５参照）。

これらの方法は、光ファイバ間の非対称性を制御することによって分岐比を変えることが出来るので、５０：５０の等分岐光ファイバカプラだけでなく、９０：１０等の不等分岐光ファイバカプラを作成でき、タップカプラ等の作成に応用することができる。

また、５０：５０の等分岐光ファイバカプラに限れば、広帯域化のためには必ずしも伝搬定数に差をつける必要はない。例えば、３本の光ファイバを並列に整列させて融着・延伸することにより、中央の光ファイバを入力端子、両端の２本の光ファイバを出力端子とした１×２広帯域・等分岐光ファイバカプラが実現できる。

この構成は、多分岐・等分岐光ファイバカプラ｛１×Ｎ（Ｎ>２）｝へも適用可能であり、１本の入力光ファイバの周囲に他のＮ個の出力光ファイバを対称に整列させて融着延伸することにより、１×Ｎ広帯域・等分岐光ファイバカプラを作成することが可能である。このように、この構成では（Ｎ＋１）本の光ファイバを用いることとなる。また、この場合、波長により過剰損失が多少増加することは原理的に避けられない。

これを避けるためには、１×Ｎ広帯域・等分岐光ファイバカプラにおいても、光ファイバ間の非対称性を導入する必要がある。このため、２分岐広帯域・不等分岐光ファイバカプラの場合と同様に、同一の複数本の光ファイバのうちの１本の光ファイバに、テーパー部分を有する細径部を形成し、細径部を有しない他の同一の光ファイバとの間で融着延伸して作成するプリ延伸法（特許文献６参照）や、複数本の光ファイバに均等な張力を与えつつ互いに巻きつけて融着延伸し、光ファイバカプラの融着延伸部分のテーパーを非対称とする方法（特許文献７参照）が提案されている。
特許第２７１１３５１号公報 特公平６−０４０１６７号公報 特許第２６４５４５８号公報 特許第２９５８１７９号公報 特許第２８４８８３２号公報 米国特許第５７５１８７３号明細書 米国特許第５８８３９９２号明細書

しかしながら、特許文献１〜特許文献４に示される広帯域化方法のように、同一の光ファイバで前処理により伝搬定数に差をつける場合は、前処理工程が増えるだけでなく、この前処理工程での制御性の良否が歩留まり低下の致命的な原因となり得る。つまり、分岐比の広帯域特性は前処理量（テーパ形状、エッチング量、研磨量等）に非常に敏感であり、これを融着・延伸後に補正することはできない。

また、特許文献５等にあるように、外径、コア径、比屈折率差（カットオフ）等がもともと異なる光ファイバを用いる広帯域化方法では、厳密に特性の揃った各光ファイバを特注する必要が生じるので、経済性に難がある。また、このように厳密に特性の揃った光ファイバが入手出来たとしても、光ファイバの長さ方向には厳密にパラメータを揃えることは困難である。従って、この広帯域化方法は、光ファイバカプラの生産の際に、光ファイバカプラの特性の劣化や歩留まり低下の原因となり得る。

また、特許文献６の広帯域化方法のように、Ｎ本の光ファイバを用いて１×Ｎ広帯域光ファイバカプラを作製する場合は、前処理として幾本かの光ファイバに延伸処理を施す必要がある。また、１×Ｎ光ファイバカプラとしてＮ＋１本の光ファイバを用いる方法では、上述したように原理的に過剰損失の波長依存性が大きくなる。また、分岐比が等分岐に限定されるので、不等分岐光ファイバカプラが作成できない等の欠点を有している。さらに、特許文献７の広帯域化方法のように、１×Ｎ光ファイバカプラで非対称テーパを導入する方法は、必要以上にテーパ長を長くする必要があり、光ファイバカプラの全長が多少長くなる欠点を有するほか、非対称性テーパ形状の制御性が問題となり、歩留まり低下の要因となる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、一の光ファイバの伝搬光を他の１本以上の光ファイバに結合させる光結合部を備える広帯域光ファイバカプラにおいて、一の光ファイバと他の１本以上の光ファイバとは、いずれの光ファイバにおいても互いの伝搬定数を変化させる前処理をしていない、伝搬定数が同一の光ファイバからなり、光結合部において、一の光ファイバが直線状もしくはほぼ直線状に配置され、かつ、他の１本以上の光ファイバが一の光ファイバに対して蛇行して、または、他の１本以上の光ファイバが直線状もしくはほぼ直線状に配置され、かつ、一の光ファイバが他の１本以上の光ファイバに対して蛇行して、光結合部での一の光ファイバと他の１本以上の光ファイバとの長さが互いに異なり、かつ、その光結合部の長さが、少なくとも２つの特定の波長において各光ファイバの伝搬光の光結合度がほぼ等しくなる最小の長さになっていることを特徴とする。

このような構成によれば、例えば、光結合部の一部または全部において、一の光ファイバを直線状またはほぼ直線状に配置させ、他の１本以上の光ファイバを蛇行させる等の手段により、光結合部での各光ファイバの長さを互いに異ならせることにより、光結合部での各光ファイバ間に非対称性を導入することができる。

このため、同一の光ファイバの伝搬定数に差をつけるための前処理を予め正確に行う必要なく、非対称性を導入することが可能となる。また、非対称性は、光結合部での各光ファイバの長さによって制御されるため、光結合部での各光ファイバの融着・延伸時に補正することが出来る。従って、前処理量に敏感で、融着・延伸時に伝搬定数の補正をすることが出来ない従来の光ファイバカプラに比べ、歩留まりを高くすることが出来る。

また、厳密に特性の揃った異なる光ファイバを用意する必要がないため、経済性に優れる。また、光ファイバの長さ方向に厳密にパラメータを揃える必要がないため、生産の際に光ファイバカプラの特性が劣化したりすることはなく、しかも、歩留まりの低下を招くこともない。

また、光結合部での各光ファイバの長さの差を制御することにより、５０：５０の等分岐比に限定されることなく、任意の分岐比を得ることが可能である。従って、１×２不等分岐・光ファイバカプラだけでなく、一般的な１×Ｎ不等分岐・光ファイバカプラへも適用可能となる。しかも、１×Ｎ広帯域・等分岐光ファイバカプラを得るためにＮ＋１本の光ファイバを用いる従来の広帯域化法のように、過剰損失の波長依存性が原理的に大きくなる問題も生じない。さらに、一の光ファイバを信号光の入出力用に兼用することが出来るため、１本少ないＮ本の光ファイバを用いて１×Ｎ広帯域光ファイバカプラを得ることが出来る。また、この問題を避けるために、１×Ｎ広帯域・等分岐光ファイバカプラに非対称テーパを用いて非対称性を導入する場合のように、非対称テーパ形状の制御性が問題となり、歩留まりが低下する要因になることがない。また、非対称テーパを用いて非対称性を導入する場合のように、必要以上にテーパ長を長くすることなく、分岐比が広帯域の光ファイバカプラを得ることが出来る。

また、同一の光ファイバを用いているため、光結合部での各光ファイバの長さを互いに異ならせることにより、各光ファイバ間で伝搬定数に差をつける等することなく、容易に、光結合部に非対称性を導入することができる。

このため、同一の光ファイバを用いることにより、容易に、分岐比が広帯域の上述した光ファイバカプラを得ることが出来る。

また、本発明は、複数本の光ファイバを互いに整列させる整列工程と、この整列工程で整列された各光ファイバを融着・延伸して光結合部を形成する融着延伸工程とを含む広帯域光ファイバカプラの製造方法において、複数本の光ファイバは、いずれの光ファイバにおいても互いの伝搬定数を変化させる前処理をしていない、伝搬定数が同一の光ファイバからなり、整列工程が、少なくとも１本の光ファイバを直線状またはほぼ直線状に配置し、その周囲に他の光ファイバを１本以上巻き付ける巻付工程を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、直線状またはほぼ直線状の光ファイバに対する他の光ファイバの巻付量を変更することにより、光結合部での各光ファイバの長さの差を調整できる。

このため、直線状またはほぼ直線状の光ファイバに対する他の光ファイバの巻付量を変更することにより、各光ファイバ間の非対称性を制御して、分岐比が所望の広帯域特性を有する光ファイバカプラを容易に得ることが出来る。

また、本発明は、巻付工程において、複数本の光ファイバの全てに張力を与え、かつ、直線状またはほぼ直線状に配置された光ファイバに与える張力が、その光ファイバに巻き付ける他の光ファイバに与える張力よりも大きいことを特徴とする。

このような構成によれば、より大きな張力が与えられた直線状またはほぼ直線状の光ファイバの張力を利用し、その光ファイバの周りに小さな張力が与えられた他の光ファイバを巻き付けることで、直線状またはほぼ直線状の光ファイバが、その周りに巻き付ける他の光ファイバから受ける力によって曲がるのを最小限に抑えることが可能となる。

このため、直線状またはほぼ直線状の光ファイバの周りに他の光ファイバを巻き付けるときに、直線状またはほぼ直線状の光ファイバが曲がって他の光ファイバの巻付量が一定でなくなることが防止される。つまり、直線状またはほぼ直線状の光ファイバに他の光ファイバが巻き付く量は一定になり、再現性のある巻状態を容易に実現することが可能になる。従って、分岐比の広帯域特性が揃った光ファイバカプラを容易に製造することが出来、歩留まりは高まる。

また、本発明は、複数本の光ファイバを互いに整列させる整列機構と、この整列機構で整列された各光ファイバを融着・延伸して光結合部を形成する融着延伸機構とを備える広帯域光ファイバカプラの製造装置において、直線状またはほぼ直線状に配置された少なくとも１本の光ファイバの周囲に他の光ファイバを１本以上巻き付ける巻付機構と、複数本の光ファイバの全てに張力を与え、かつ、直線状またはほぼ直線状に配置された光ファイバに与える張力をその光ファイバに巻き付ける光ファイバに与える張力より大きく保つ張力付与機構とを備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、巻付機構により、直線状またはほぼ直線状の光ファイバの周囲に他の光ファイバが巻き付けられる。この巻き付けの際、張力付与機構によって各光ファイバに所定の張力が与えられることにより、直線状またはほぼ直線状の光ファイバがその周りに巻き付ける他の光ファイバから受ける力によって曲がることなく、他の光ファイバが直線状またはほぼ直線状の光ファイバに巻き付く量は一定になる。

このため、光結合部における光ファイバ間の非対称性をそれらの長さの差によって容易に制御することが出来る広帯域光ファイバカプラの製造装置が提供される。

このような本発明によれば、上記のように、同一の光ファイバの伝搬定数に差をつけるための前処理を予め正確に行う必要なく、また、厳密に特性の揃った異なる光ファイバを用意することなく、光ファイバカプラの光結合部に非対称性を導入して、光分岐比の波長依存性が少なく信頼性の高い広帯域光ファイバカプラを低価格で得ることが可能となる。また、任意の分岐比の１×Ｎ光ファイバカプラをＮ本の光ファイバで実現することが出来る。

また、一の光ファイバに対する他の光ファイバの巻付量を変更することにより、各光ファイバ間の非対称性を制御して、分岐比が所望の広帯域特性を有する光ファイバカプラを生産性よく製造することが出来る、広帯域光ファイバカプラの製造方法およびその製造装置が提供される。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による光ファイバカプラ光結合部周囲２ａの斜視図である。

この光ファイバカプラは、光ファイバ１ａと光ファイバ１ｂとの間で伝搬光を分岐または結合する、融着延伸型１×２広帯域光ファイバカプラである。両光ファイバ１ａ，１ｂは、それぞれ標準的に市販されている同一の単一モード光ファイバである。両光ファイバ１ａ，１ｂは、外径や導波路パラメータが互いに異なるものでなく、ともにプリ延伸やエッチング等の異方性を導入するための前処理を施してはいない。各光ファイバ１ａ，１ｂには、例えば波長１．３１μｍや波長１．５５μｍといった複数の波長の信号光が伝搬し、波長多重通信が行われる。

この光ファイバカプラは、光ファイバ１ａと光ファイバ１ｂとの間で伝搬光を分岐または結合するための光結合部２１を備える。光結合部２１は、図２に示すように、直線状またはほぼ直線状に配置された光ファイバ１ａに対して、光ファイバ１ｂの一部を巻き付けて蛇行した状態で、融着延伸して構成されている。従って、光結合部２１での各光ファイバ１ａ，１ｂの長さは互いに異なっている。光ファイバ１ａに対する光ファイバ１ｂの巻付量は、光結合部２１での両光ファイバ１ａ，１ｂの長さの差が、波長多重通信で使用される２つの特定の波長１．３１μｍおよび１．５５μｍにおいて、各光ファイバ１ａ，１ｂの伝搬光の結合度がほぼ等しくなるように調整されている。

図３は、光ファイバカプラの波長特性を示すグラフであり、同グラフの横軸は信号光の波長[μｍ]、縦軸は信号路の挿入損失[ｄＢ]を表している。また、特性線Ａは光ファイバ１ａから光信号を入力した場合の光ファイバ１ａの出力波長特性、特性線Ｂは光ファイバ１ｂの出力波長特性を表している。同グラフに示すように、光ファイバカプラは、波長１．３１μｍと１．５５μｍの両波長での分岐比が挿入損失約３ｄＢでほぼ５０：５０となっており、これら両波長で使用可能な、広帯域な等分岐特性が備えられている。この分岐比は、光ファイバ１ａに対する光ファイバ１ｂの巻付量を変えることにより、歩留まりよく制御することが可能であり、等分岐光ファイバカプラ以外でも、例えば、波長１．３１μｍと１．５５μｍの両波長で使用可能な、分岐比９５：５の１×２不等分岐光ファイバカプラ（５％タップカプラ）も容易に制作することが出来る。

次に、この光ファイバカプラを製造する光ファイバカプラ製造装置について説明する。

図４（ａ）および（ｂ）は、光ファイバカプラ製造装置のファイバ保持機構および加熱機構３の平面図および側面図である。

光ファイバカプラ製造装置のファイバ保持機構および加熱機構３は、一対の延伸ステージ４ａ，４ｂを備えており、この延伸ステージ４ａ，４ｂ間には、マイクロトーチ５を載置したトーチ用ステージ６が設けられている。マイクロトーチ５は、光ファイバ１ａ，１ｂの光結合部２１を加熱するためのものであり、トーチ用ステージ６によって延伸ステージ４ａ，４ｂ間を移動できるようになっている。延伸ステージ４ａ，４ｂは、加熱して溶融した光ファイバ１ａ，１ｂを延伸するためのものであり、所定の直線軌道上を進退し得るように構成されている。延伸ステージ４ａ，４ｂは、マイクロトーチ５と共に、光ファイバ１ａと光ファイバ１ａに巻き付けられた光ファイバ１ｂとを融着延伸して光結合部２１を形成する加熱延伸機構を構成している。

また、延伸ステージ４ａ上の端部には、光ファイバ１ａ，１ｂのそれぞれの一端を把持する光ファイバクランプ７が設けられており、双方の延伸ステージ４ａ，４ｂ上には、光ファイバホルダー８ａ，８ｂと、光ファイバ１ａに対して光ファイバ１ｂを巻き付けるファイバ回転機構９ａ，９ｂとが設けられている。また、延伸ステージ４ｂ上には光ファイバガイド１０ａ，１０ｂが設けられている。光ファイバガイド１０ａ，１０ｂは、延伸ステージ４ｂ上に各光ファイバ１ａ，１ｂごとに回転自在に配設されたローラから構成されている。さらに、延伸ステージ４ｂの右側部には、光ファイバガイド１０ａ，１０ｂと対になって光ファイバ支持円柱１１ａ，１１ｂが設けられており、光ファイバ支持円柱１１ａ，１１ｂに支持された光ファイバ１ａ，１ｂには錘１２ａ，１２ｂが固定されている。

本実施形態では、錘１２ａの重量を３０ｇ、錘１２ｂの重量を２５ｇとした。錘１２ａ，１２ｂは上述した光ファイバクランプ７と共に、直線状またはほぼ直線状に配置された光ファイバ１ａに与える張力を、その光ファイバ１ａに巻き付ける光ファイバ１ｂに与える張力より大きく保つ張力付与機構を構成している。

錘１２ａ，１２ｂによって生じる張力は光ファイバクランプ７から右側に位置する光ファイバ１ａ，１ｂに円滑に伝わる。光ファイバ支持円柱１１ａ，１１ｂは、錘１２ａ，１２ｂによる張力の方向を変えて光ファイバ１ａ，１ｂに張力を円滑に伝えると共に、光ファイバ１ａ，１ｂに過度の曲がりを生じさせないローラから構成されている。光ファイバクランプ７、光ファイバ支持台１０ａ，１０ｂおよび光ファイバ支持円柱１１ａ，１１ｂは、光ファイバ１ａ，１ｂを延伸ステージ４ａ，４ｂ上に互いに整列させる整列機構を構成している。

光ファイバホルダー８ａ，８ｂは、光ファイバ１ａ，１ｂの融着延伸作業の際に光ファイバ１ａ，１ｂを把持するためのものであり、延伸ステージ４ａ，４ｂの中央側に設けられている。

ファイバ回転機構９ａは、延伸ステージ４ａのほぼ中央部に設けられている。ファイバ回転機構９ｂは、延伸ステージ４ｂのほぼ中央部に設けられている。これらファイバ回転機構９ａ，９ｂは、図５（ａ），（ｂ）に示すように、それぞれ一対の基体９１と、これら各基体９１に回転自在に保持された一対の円柱状の回転体９２とから構成されている。対向して配置された各回転体９２は、図示しない回転駆動機構により、互いに逆方向に回転動作させられる。回転体９２は、図に示すように、回転動作の中心となる軸心と一致する位置に光ファイバ１ａが挿通される基準挿通孔９３が形成されており、軸心から所定距離離間した位置に軸心に沿って開口した光ファイバ１ｂが挿通される回転挿通孔９４が形成されている。

上記の光ファイバホルダー８ａ，８ｂおよびファイバ回転機構９ａ，９ｂは、光ファイバ１ａの周囲に他の光ファイバ１ｂを巻きつける巻付機構を構成している。

次に、この製造装置を用いた光ファイバカプラの製造方法について説明する。

まず、光結合部２１となる光ファイバ１ａ，１ｂの被覆を除去し、その部分が延伸ステージ４ａ，４ｂの中央に位置するように配置し、そのまま、光ファイバ１ａ，１ｂの一端を光ファイバクランプ７で把持する。次に、図５（ａ）に示すように、一の光ファイバ１ａをファイバ回転機構９ａ，９ｂを構成する回転体９２の基準挿通孔９３に挿通し、他の光ファイバ１ｂを回転体９２の回転挿通孔９４に挿通する。そして、光ファイバ支持台１０ａ，１０ｂおよび光ファイバ支持円柱１１ａ，１１ｂにより、光ファイバ１ａ，１ｂを延伸ステージ４ａ，４ｂ上に支持する。これにより、図４に示すように、２本の光ファイバ１ａ，１ｂを延伸ステージ４ａ，４ｂ上に整列させる。光ファイバホルダー８ａ，８ｂはこの時点では開放しておき、光ファイバクランプ７から右側に位置する光ファイバ１ａ，１ｂに錘１２ａ，１２ｂから伝わる張力が掛かる状態としておく。

その後、各光ファイバ１ａ，１ｂの他端にそれぞれ錘１２ａ，１２ｂを取り付ける。錘１２ａ，１２ｂを取り付けると、光ファイバガイド１０ａ，１０ｂおよび光ファイバ支持円柱１１ａ，１１ｂを構成する各ローラを介して、錘１２ａ，１２ｂによる張力が各光ファイバ１ａ，１ｂに円滑に伝わり、各光ファイバ１ａ，１ｂに互いに異なる張力が掛かる。

この状態で、両ファイバ回転機構９ａ，９ｂの回転体９２をほぼ同時に反対方向に、または一方のみを回転させる。回転体９２の基準挿通孔９３に挿通された光ファイバ１ａは、回転体９２の回転軸の中心に配置されているので、回転体９２を回転させた場合でも公転しない。一方、回転挿通孔９４に挿通された光ファイバ１ｂは、回転体９２の回転動作に従って、回転体９２の軸心を中心として回転する。この回転に伴い、図５（ｂ）に示すように、両ファイバ回転機構９ａ，９ｂ間に位置する光結合部２１の光ファイバ１ｂの被覆除去部が、直線状またはほぼ直線状に配置された光結合部２１の光ファイバ１ａの被覆除去部に巻き付く。この際、光ファイバ１ａに加わる張力は光ファイバ１ｂに加わる張力よりも大きいので、光ファイバ１ｂの公転により、光ファイバ１ａが曲がることはない。

本実施形態では、ファイバ回転機構９ｂの回転体９２を約２６０度回転させた。この回転量は、光ファイバ１ａ，１ｂの伝搬光の最大結合度と回転角との関係より求めた値であるが、この値は、光ファイバの種類、製造装置の構造（光ファイバ回転機構の構造と取付位置、トーチ構造等）と、作成条件（光ファイバに与える張力、融着度、延伸形状等）等に大きく依存する相対的な値であり、絶対的な値ではない。なお、本実施形態では、ファイバ回転機構９ｂのみを回転させたが、特に回転量が多い場合等は、ファイバ回転機構９ａ，９ｂの両方を逆方向に回転させてもよい。

続いて、光ファイバホルダー８ａ，８ｂで各光ファイバ１ａ，１ｂを把持して保持する。そして、マイクロトーチ５を点火した後にトーチ用ステージ６によりマイクロトーチ５を所定の位置に移動させ、光結合部２１の被覆除去部を互いに加熱融着した後、延伸ステージ４ａ，４ｂを左右に緩やかに引き離しながら加熱延伸し、所定のところで加熱延伸を止めて光結合部２１を形成した。次に、この光結合部２１の両側を基板に固定した後に、全体を製造装置から外し、パッケージをして、光ファイバカプラを完成させた。

図６は、光ファイバ１ａ，１ｂのこの加熱延伸時間（横軸）と、光ファイバ１ａから入力された波長１．３１μｍおよび１．５５μｍの信号光についてのそれぞれの光結合度（縦軸）との関係を示すグラフである。本実施形態では、両波長での光結合度が最初に一致する点（図中のＡ点）での特性が得られる時間で、加熱延伸を停止した。従って、このようにして融着延伸されて形成された光結合部２１での両光ファイバ１ａ，１ｂの長さの差は、波長多重通信で使用される２つの特定の波長１．３１μｍおよび１．５５μｍにおいて、各光ファイバ１ａ，１ｂの伝搬光の結合度がほぼ等しくなる最小の長さに設定されている。

以上説明した本実施形態による光ファイバカプラによれば、光ファイバ１ｂを直線状またはほぼ直線状に配置された光ファイバ１ａに対して巻き付け、光結合部２１での各光ファイバ１ａ，１ｂの長さを互いに異ならせるだけで、光結合部２１での各光ファイバ１ａ，１ｂ間に非対称性を持たせることができる。

このため、従来のように、同一の光ファイバの伝搬定数に差をつけるための前処理を予め正確に行う必要なく、非対称性を導入することが可能となる。また、非対称性は、光結合部２１での各光ファイバ１ａ，１ｂの長さによって制御されるため、光結合部２１での各光ファイバ１ａ，１ｂの融着・延伸時に補正することが出来る。従って、前処理量に敏感で、融着・延伸時に伝搬定数の補正をすることが出来ない従来の光ファイバカプラに比べ、本実施形態による光ファイバカプラによれば、歩留まりを高くすることが出来る。

また、本実施形態による光ファイバカプラは、従来のように、厳密に特性の揃った異なる光ファイバを用意する必要がないため、経済性に優れる。また、光ファイバ１ａ，１ｂの長さ方向に厳密にパラメータを揃える必要がないため、生産の際に光ファイバカプラの特性が劣化したりすることはなく、しかも、歩留まりの低下を招くこともない。

また、光ファイバ１ａに対する光ファイバ１ｂの巻付量を変更して、光結合部２１での各光ファイバ１ａ，１ｂの長さの差を制御することにより、５０：５０の等分岐比に限定されることなく、任意の分岐比の光ファイバカプラを得ることが可能である。また、１×２不等分岐・光ファイバカプラだけでなく、一般的な１×Ｎ不等分岐・光ファイバカプラも同様にして制作することが可能である。しかも、１×Ｎ広帯域・等分岐光ファイバカプラを得るためにＮ＋１本の光ファイバを用いる従来の広帯域化法のように、過剰損失の波長依存性が原理的に大きくなる問題も生じず、１本少ないＮ本の光ファイバを用いて１×Ｎ広帯域光ファイバカプラを得ることが出来る。また、この問題を避けるために、１×Ｎ広帯域・等分岐光ファイバカプラに非対称テーパを用いて非対称性を導入する場合のように、非対称テーパ形状の制御性が問題となり、歩留まり低下の要因になることもない。

また、本実施形態による光ファイバカプラは、１×Ｎ広帯域・等分岐光ファイバカプラに非対称テーパを用いて非対称性を導入する場合のように、分岐比の広帯域化のために長尺化することはなく、歩留まり低下の要因になることもない。従って、必要以上にテーパ長を長くすることなく、分岐比が広帯域の光ファイバカプラを得ることが出来る。

また、本実施形態では、光ファイバカプラが同一の光ファイバ１ａ，１ｂからなる場合について説明したが、必ずしも同一の光ファイバによって構成する必要はなく、異なる光ファイバを用いて光ファイバカプラを構成するようにしてもよい。すなわち、同一の光ファイバ１ａ，１ｂおよび異なる光ファイバのいずれを用いた場合にも、光結合部２１での各光ファイバの長さを互いに異ならせることにより、各光ファイバ間で伝搬定数に差をつけることなく、容易に、光結合部２１に非対称性を導入することができる。このため、異なる光ファイバを用いた場合にも、容易に、分岐比が広帯域の上述した光ファイバカプラを得ることが出来る。

また、本実施形態による光ファイバカプラの製造方法は、上述したように、光ファイバ１ａ，１ｂを互いに整列させる整列工程が、１本の光ファイバ１ａを直線状またはほぼ直線状に配置し、その周囲にその光ファイバ１ａと同一の他の光ファイバ１ｂを巻き付けて、光結合部２１での各光ファイバ１ａ，１ｂの長さを互いに異ならせる巻付工程を備えている。従って、光ファイバ１ａ，１ｂに取り付ける錘１２ａ，１２ｂの重量やファイバ回転機構９ａ，９ｂを構成する回転体９２の回転量を調整して、光ファイバ１ａに対する光ファイバ１ｂの巻付量を変更することにより、光結合部２１での各光ファイバ１ａ，１ｂの長さの差を調整できる。このため、光ファイバ１ａに対する光ファイバ１ｂの巻付量を変更することにより、各光ファイバ１ａ，１ｂ間の非対称性を制御して、分岐比が所望の広帯域特性を有する光ファイバカプラを容易に得ることが出来る。

また、本実施形態による光ファイバカプラの製造方法では、上述したように、巻付工程が、直線状またはほぼ直線状に配置された光ファイバ１ａに、その光ファイバ１ａに巻き付ける光ファイバ１ｂに与える張力よりも大きな張力を与えて行われる。従って、大きな張力が与えられた光ファイバ１ａの張力を利用し、その光ファイバ１ａの周りに小さな張力が与えられた光ファイバ１ｂを巻き付けることで、光ファイバ１ａが、その周りに巻き付ける光ファイバ１ｂから受ける応力によって曲がることはない。このため、光ファイバ１ａの周りに光ファイバ１ｂを巻き付けるときに、光ファイバ１ａが曲がって光ファイバ１ｂの巻付量が一定でなくなることが防止される。つまり、光ファイバ１ａに光ファイバ１ｂが巻き付く量は一定になり、再現性のある巻状態を容易に実現することが可能になる。従って、分岐比の広帯域特性が揃った光ファイバカプラを容易に製造することが出来、歩留まりは高まる。

また、本実施形態による光ファイバカプラの製造装置は、上述したように、直線状またはほぼ直線状に配置された光ファイバ１ａの周囲にその光ファイバ１ａと同一の光ファイバ１ｂを巻き付ける巻付機構と、光ファイバ１ａに与える張力をその光ファイバ１ａに巻き付ける光ファイバ１ｂに与える張力より大きく保つ張力付与機構とを備えている。従って、巻付機構により、光ファイバ１ａの周囲に光ファイバ１ｂが巻き付けられる際、張力付与機構によって各光ファイバ１ａ，１ｂに所定の張力が与えられることにより、光ファイバ１ａがその周りに巻き付ける光ファイバ１ｂから受ける力によって曲がることなく、光ファイバ１ｂが光ファイバ１ａに巻き付く量は一定になる。このため、光結合部２１における光ファイバ１ａ，１ｂ間の非対称性をそれらの長さの差によって容易に制御することが出来る光ファイバカプラの製造装置が提供される。

次に、本発明による光ファイバカプラの第２の実施形態について説明する。

図７は本実施形態による融着延伸型１×４広帯域光ファイバカプラ光結合部周囲２ｂの斜視図である。

光ファイバカプラ光結合部周囲２ｂは、中心に位置する直線状の光ファイバ１ａが入出力兼用光ファイバで、それに螺旋状に巻き付いている他の光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄは出力専用光ファイバである。これら各光ファイバ１ａ〜１ｄも、第１の実施形態と同様、それぞれ標準的に市販されている同一の単一モード光ファイバである。なお、この第２の実施形態でも、同一でない異なる光ファイバを用いて光ファイバカプラを構成してもよい。光ファイバカプラ結合部２２は、図８に示すように、直線状またはほぼ直線状に配置された光ファイバ１ａに対して、他の３本の光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄの一部を巻きつけた状態で、融着延伸して構成される。従って、光結合部２２での光ファイバ１ａと他の光ファイバ１ｃ〜１ｄとの長さは互いに異なっている。光ファイバ１ａに対する光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄの巻付量は、光光結合部２２での光ファイバ１ａと他の光ファイバ１ｃ〜１ｄとの長さの差が、波長多重通信で使用される２つの特定の波長１．３１μｍおよび１．５５μｍにおいて、各光ファイバ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの伝搬光の結合度がほぼ等しくなる長さに調整されている。

この光ファイバカプラを製造する装置は、第１実施形態の光ファイバカプラ製造装置とほぼ同様の構成を有するが、光ファイバ回転機構９ａ，９ｂには、回転中心に開口した基準挿通孔９３以外に、回転中心に対称に３つの回転挿通孔９４が開口しており、計４つの孔のそれぞれに光ファイバ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが挿通する構造となっている。また、光ファイバ１ａ〜１ｄに張力を与える機構としては、互いに独立した４つの機構（ファイバガイド１０ａ〜１０ｄ、光ファイバ支持円柱１１ａ〜１１ｄ）が備えられており、錘１２ａの他に３つの錘１２ｂ〜１２ｄが、各光ファイバ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの端部に装着される。この場合、光ファイバ１ａに加わる錘１２ａの重量は例えば約３５ｇ、他の光ファイバ１ｂ〜１ｄに加わる錘１２ｂ〜１２ｄの重量は例えばそれぞれ約２０ｇとした。このように光ファイバ１ａに与える張力は他の３本の光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄに与える張力よりも大きいため、本実施形態でも、光ファイバ１ａの直進性は歩留まり良く保障される。

このような張力が与えられながら、光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄは、光ファイバ１ａに対して図８に示すように螺旋状に巻き付けられるが、本実施形態では、光ファイバ回転機構９ａ，９ｂを互いに逆方向に２７０度ずつ回転させて巻き付けた。この回転量も、第１実施形態の場合と同様に、各光ファイバ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの長さの差が、回転角と最大結合度との関係より、各光ファイバ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの伝搬光の光結合度がほぼ等しくなる値になっている。この値も、光ファイバの種類、製造装置の構造、作成条件等に大きく依存する相対的な値であり、絶対的な値ではないため、適宜変更して差し支えない。また、回転角の最適値は分岐数に大きく依存する値であり、例えば、１×８光ファイバカプラの場合には回転条件は全く異なることは当然である。また、光ファイバ回転機構９ａ，９ｂの回転量は必ずしも等しい必要はなく、回転機構９ａまたは回転機構９ｂのみを回転させてもよい。

図９は光ファイバカプラの光結合部の断面構造を示す図である。

同図では、出力専用光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄの位置が入力出力兼用光ファイバ１ａに対して対称な位置に配置されているが、全ての光ファイバ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに与える張力を一定にした場合、この出力専用光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄ間の相対位置の僅かなズレが中心に位置する光ファイバ１ａの蛇行の要因となる。従って、この場合は光結合部２２における構造の非対称性を精度良く制御することが難しく、光結合部２２の非対称性により広帯域分岐特性を歩留まり良く得ることは困難となる。

これに対して、本実施形態では、光ファイバ１ａに加わる張力が他の光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄに加わる張力よりも大きいので、光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄの公転により、光ファイバ１ａが蛇行することはない。このように、光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄを巻き付ける方法として、複数本の光ファイバ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに異なった重量の錘１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを付けて、重い錘１２ａを付けた光ファイバ１ａの張力を利用し、光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄを捻ることで、軽い錘１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを付けた光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄが重い錘１２ａを付けた光ファイバ１ａの周りに巻き付く原理を利用した巻き付け方法により、再現性のある巻状態が容易に実現可能となり、分岐比を容易に再現することが可能となる。このように、中心におかれる光ファイバ１ａに掛ける張力を大きくすることで光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄの巻付量が一定となり、歩留まりが向上し、再現性に富むようになる。

図９に示した光ファイバカプラの光結合部の断面構造は、特許文献７に開示された、非対称テーパによって広帯域化された１×４光ファイバカプラの構成（同文献の図１参照）と類似している。しかし、同文献のコラム４の５５〜５７行や、コラム７の６１〜６３行に明記されているように、４本の光ファイバに印加される張力は全て同一であるため、同文献には明記されていないが、中心の光ファイバは長さ方向において蛇行している可能性が高くなる。つまり、図８に示すように中心の光ファイバ１ａが直線状に保たれる確率は、大幅に低下すると考えられる。従って、この場合は、光ファイバ１ａと光ファイバ１ｂ〜１ｄとの間の非対称性は保障されない。そのために同文献の光ファイバカプラでは、テーパに非対称性を導入して特性の広帯域を確保している。同文献に示される光ファイバ回転機構は、テーパを形成するために４本の光ファイバを互いに単に接触させるためだけに用いられているのであり、同文献では、光ファイバ間に異なる張力を与えて非対称性を導入する意図は伺えない。

図１０は、本実施形態により作製したパッケージ後の光ファイバカプラの波長特性を示すグラフであり、同グラフの横軸は信号光の波長[μｍ]、縦軸は信号路の挿入損失[ｄＢ]を表している。また、特性線Ａは光ファイバ１ａについての出力波長特性、特性線Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ光ファイバ１ｂ，１ｃ，１ｄについての出力波長特性を表している。同グラフに示すように、光ファイバカプラ２ｂは、波長１．３１μｍと１．５５μｍの両波長での分岐比が挿入損失約６ｄＢでほぼ等分岐となっており、これら両波長で使用可能な、広帯域な等分岐特性が備えられている。この分岐比は、光ファイバ１ａに対する光ファイバ１ｂ〜１ｄの巻付量を変えることにより、歩留まりよく制御することが可能であり、所望の分岐比の１×４不等分岐光ファイバカプラを容易に制作することが出来る。

従って、本実施形態による光ファイバカプラによっても、従来の融着延伸型の光ファイバカプラのように、非対称性を導入するためのプリ延伸、エッチング等の前処理や、複数種類の光ファイバを用いることなく、４本の同じ光ファイバ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを用い、光結合部２２の形成時に非対称な配置を導入することにより広帯域な等分岐特性を得ることができる。

このようにして作成された光ファイバカプラでも、上述したように、波長１．３１μｍと１．５５μｍの両波長で利用可能な、広帯域な等分岐特性が得られ、光ファイバ１ｂの巻付量を変えることにより、歩留まりよく分岐比を制御することが可能である。

なお、上記各実施形態では光ファイバ１ａ〜１ｄに荷重を与えるために錘１２ａ〜１２ｄを使用したが、他にバネ力、磁力等を利用してもよい。また、加熱源として、マイクロトーチ５を使用したが、その他にセラミック等を用いた電熱ヒータ、放電、ＣＯ_２レーザ等の加熱方法を用いても良い。

上記実施形態においては、本発明による光ファイバカプラを１×２光ファイバカプラおよび１×４光ファイバカプラに適用した場合について説明したが、例えば、１×３光ファイバカプラ、１×８光ファイバカプラ等の他の一般的な１×Ｎ光ファイバカプラに本発明を適用することも可能である。このような光ファイバカプラに本発明を適用した場合においても、上記実施形態と同様な作用効果が奏される。

本発明の一実施形態による光ファイバカプラの光結合部周囲の構成の概略を示す斜視図である。 図１の光ファイバカプラの融着延伸前における光ファイバの巻付状態を示す側面図である。 図１に示す光ファイバカプラの波長と挿入損失との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態による光ファイバカプラ製造装置のファイバ保持機構および加熱機構の構成の概略を示す平面図および側面図である。 図４に示す光ファイバカプラ製造装置を構成するファイバ回転機構の巻付前および巻付時の概略を示す斜視図である。 図１に示す光ファイバカプラの光結合部の融着延伸時間と各光ファイバの光結合度との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による光ファイバカプラの光結合部周囲の構成の概略を示す斜視図である。 図７に示す光ファイバカプラの融着延伸前における光ファイバの巻付状態を示す側面図である。 図７に示す光ファイバカプラの光結合部の加熱延伸前における断面図である。 図７に示す光ファイバカプラの波長と挿入損失との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…光ファイバ
２ａ，２ｂ…光ファイバカプラ光結合部周囲
２１，２２…光結合部
３…光ファイバカプラ製造装置のファイバ保持機構および加熱機構
４ａ，４ｂ…延伸ステージ
５…マイクロトーチ
６…トーチ用ステージ
７…光ファイバクランプ
８ａ，８ｂ…光ファイバホルダー
９ａ，９ｂ…ファイバ回転機構
１０ａ，１０ｂ…光ファイバガイド
１１ａ，１１ｂ…光ファイバ支持円柱
１２ａ，１２ｂ…錘
９１…基体
９２…回転体
９３…基準挿通孔
９４…回転挿通孔

Claims (4)

1. 一の光ファイバの伝搬光を他の１本以上の光ファイバに結合させる光結合部を備える広帯域光ファイバカプラにおいて、
   前記一の光ファイバと前記他の１本以上の光ファイバとは、いずれの光ファイバにおいても互いの伝搬定数を変化させる前処理をしていない、伝搬定数が同一の光ファイバからなり、前記光結合部において、前記一の光ファイバが直線状もしくはほぼ直線状に配置され、かつ、前記他の１本以上の光ファイバが前記一の光ファイバに対して蛇行して、または、前記他の１本以上の光ファイバが直線状もしくはほぼ直線状に配置され、かつ、前記一の光ファイバが前記他の１本以上の光ファイバに対して蛇行して、前記光結合部での前記一の光ファイバと前記他の１本以上の光ファイバとの長さが互いに異なり、かつ、その光結合部の長さが、少なくとも２つの特定の波長において前記各光ファイバの伝搬光の光結合度がほぼ等しくなる最小の長さになっていることを特徴とする広帯域光ファイバカプラ。
2. 複数本の光ファイバを互いに整列させる整列工程と、この整列工程で整列された前記各光ファイバを融着・延伸して光結合部を形成する融着延伸工程とを含む広帯域光ファイバカプラの製造方法において、
   前記複数本の光ファイバは、いずれの光ファイバにおいても互いの伝搬定数を変化させる前処理をしていない、伝搬定数が同一の光ファイバからなり、前記整列工程は、前記光結合部において、少なくとも１本の光ファイバを直線状またはほぼ直線状に配置し、その周囲に他の光ファイバを１本以上巻き付ける巻付工程を備えることを特徴とする広帯域光ファイバカプラの製造方法。
3. 前記巻付工程において、前記複数本の光ファイバの全てに張力を与え、かつ、直線状またはほぼ直線状に配置された前記光ファイバに与える張力が、その光ファイバに巻き付ける他の光ファイバに与える張力よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の広帯域光ファイバカプラの製造方法。
4. 複数本の光ファイバを互いに整列させる整列機構と、この整列機構で整列された前記各光ファイバを融着・延伸して光結合部を形成する融着延伸機構とを備える広帯域光ファイバカプラの製造装置において、
   直線状またはほぼ直線状に配置された少なくとも１本の光ファイバの周囲に他の光ファイバを１本以上巻き付ける巻付機構と、前記複数本の光ファイバの全てに張力を与え、かつ、直線状またはほぼ直線状に配置された前記光ファイバに与える張力をその光ファイバに巻き付ける前記光ファイバに与える張力より大きく保つ張力付与機構とを備えていることを特徴とする広帯域光ファイバカプラの製造装置。

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