JP4130313B2 - 偏波保持光ファイバカプラの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信分野、光ファイバを利用したセンサ分野などにおいて有用な偏波保持光ファイバカプラに関し、特に異なる偏波の結合、分岐に用いられる偏波ビームコンバイナ（以下、ＰＢＣと略記する）と偏波ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと略記する）として有用な偏波保持光ファイバの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、融着延伸型の光ファイバカプラは、外部の光ファイバと低損失で接続することができ、製造性、信頼性、高パワー耐性などの点において優れていることが知られている。
偏波保持光ファイバとしては種々のものが提案されているが、代表的なものとしてＰＡＮＤＡ型光ファイバ（Polarization maintaining AND Absorption reducing fiber）が知られている。
【０００３】
図１（ａ）、図１（ｂ）はＰＡＮＤＡ型光ファイバの一例を示したもので、図１（ａ）は光ファイバの長さ方向と直交方向に切断した断面図、図１（ｂ）は屈折率プロファイルを示した図である。このＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０は、中心に設けられたコア１１と、このコア１１の周囲に、このコア１１と同心円状に設けられ、かつこのコア１１よりも低い屈折率のクラッド１２とを備えている。また、このクラッド１２内には、前記コア１１を中心に対称配置され、かつこのクラッド１２よりも低い屈折率の断面円形のふたつの応力付与部１３，１３が設けられている。
この例において、コア１１はゲルマニウム添加石英ガラス、クラッド１２は純石英ガラス、応力付与部１３はホウ素が比較的大量に添加された石英ガラスからそれぞれ構成されている。コア１１の外径、応力付与部１３の外径、コア１１とクラッド１２との比屈折率差、クラッド１２と応力付与部１３との比屈折率差は所望の特性などによって適宜設定される。クラッド１２の外径は通常約１２５μｍとされる。
【０００４】
前記応力付与部１３は、クラッド１２よりも大きな熱膨張係数を有している。そのため、光ファイバの製造時に線引きした光ファイバが冷却される過程で、ファイバ断面において、応力付与部１３に起因する歪みを生じる。
そして、この歪みはコア１１に対して異方性歪みを発生させる。その結果、偏波の縮退が解ける。ここで便宜上、光を構成するふたつの直交する偏波をＸ偏波、Ｙ偏波とすると、Ｘ偏波の伝搬定数とＹ偏波の伝搬定数が異なる値となり、当然、これらの偏波の電磁界の分布も異なるものとなる。その結果、Ｘ偏波とＹ偏波が保存された状態で伝搬する特性が得られる。
【０００５】
図２は偏波保持光ファイバカプラの一例を示したもので、この偏波保持光ファイバカプラ１４は、２本のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０、１０を、必要に応じてその表面に設けられたプラスチックなどからなる被覆層の一部を除去した後、各々の偏波軸が平行になるように整合させて並列させ、これらＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０、１０の途中のクラッド１２，１２を接触させ、加熱、溶融するとともに、その長さ方向に延伸することによって融着延伸部（光結合部）３を形成したものである。なお、偏波軸とは、各々のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０において、応力付与部１３、１３の中心を通る線をいう。
【０００６】
この偏波保持光ファイバカプラにおいては、Ｘ偏波はＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０，１０の偏波軸方向に電界ベクトルを保持して伝搬し、Ｙ偏波はこれと直交する電界ベクトルを保持してＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０，１０内を伝搬する。なお、本明細書では、便宜上、偏波軸をＳｌｏｗ軸（Ｘ偏波軸）、これに直交する軸をＦａｓｔ軸（Ｙ偏波軸）という場合がある。
そして、途中の融着延伸部３のＸ偏波の結合度とＹ偏波の結合度との差が大きいと、この融着延伸部３において、Ｘ偏波とＹ偏波の結合、分岐が行われ、ＰＢＣおよびＰＢＳとしての特性が得られる。
【０００７】
図２にはひとつのポートＡからＸ偏波とＹ偏波が結合した光が入力し、融着延伸部３においてこれらが分岐し、ふたつのポートＢ、ＣからＸ偏波とＹ偏波がそれぞれ出力するＰＢＳ動作が矢印で示されている。ＰＢＣ動作の場合は反対にふたつのポートＢ、ＣからＸ偏波とＹ偏波がそれぞれ入力し、融着延伸部３にて結合し、ひとつのポートＡからこれらが結合した光が出力する。
なお、結合度とは一方のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０から他方のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０に結合する光の割合をいい、具体的には図２に示したポートＢ、Ｃからそれぞれ出力する光の和に対する、ポートＢまたはポートＣから出力する光のパワーの比率を示したものである。
なお、偏波保持光ファイバカプラには、この様にふたつの偏波の結合、分岐を行うものの他、所望の比率で光パワーの分岐を行う光パワー合分岐型、波長ごとに光を分岐させる波長合分岐型のものなどもある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、融着延伸型の偏波保持光ファイバカプラにおいては、過剰損失が大きくなりやすいという問題があった。
本発明は前記事情に鑑てなされたもので、過剰損失の小さい偏波保持光ファイバカプラを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、２本の偏波保持光ファイバを並列させ、その長さ方向の一部を加熱し、この長さ方向に延伸して融着延伸部を形成する形成工程と、
該形成工程と同時に、使用波長域の光および使用波長域よりも長波長側の光を、前記２本の偏波保持光ファイバのうちの一方の入力ポートに入力して、前記２本の偏波保持光ファイバの両方の出力ポートから出力させ、使用波長のＹ偏波の結合度の延伸に伴う周期的な変動と、使用波長のＹ偏波の過剰損失の延伸に伴う周期的な変動とをモニターしながら、使用波長において、Ｙ偏波の結合度が１００％に達する延伸長ポイントと過剰損失が最小値となる延伸長ポイントとが一致するように、前記融着延伸部の加熱条件を調整することにより、前記融着延伸部の形状を規定するアスペクト比を調整する調整工程と、を有し、
使用波長域よりも長波長側でモニターすることにより、
使用波長における結合度が１００％に達する延伸長ポイントが、使用波長における過剰損失が最小値となる延伸長ポイントよりも後に現れると予測された場合、前記調整工程において、アスペクト比を小さくするために前記融着延伸部の加熱温度を高くし、使用波長における結合度が１００％に達する延伸長ポイントが、使用波長における過剰損失が最小値となる延伸長ポイントよりも前に現れると予測された場合、前記調整工程において、アスペクト比を大きくするために前記融着延伸部の加熱温度を低くすることを特徴とする偏波保持光ファイバカプラの製造方法である。
第２の発明は、前記第１の発明の偏波保持光ファイバカプラの製造方法において、前記偏波保持光ファイバカプラが偏波ビームコンバイナまたは偏波ビームスプリッタであることを特徴とする偏波保持光ファイバカプラの製造方法である。
第３の発明は、前記偏波保持光ファイバがＰＡＮＤＡ型光ファイバであることを特徴とする前記第１または２の発明の偏波保持光ファイバカプラの製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明について説明するに当たって、まず図１（ａ）、図１（ｂ）、および図２も利用して偏波保持光ファイバカプラにおいて過剰損失が大きくなる理由について説明する。
すなわち、図３（ａ）に示した様に、１本のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０において、基本モードはコア１１を導波する。
ついで、これを加熱、延伸すると、ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０が細径化する。その結果、コア１１を導波する基本モードがクラッド１２に染み出し、図３（ｃ）に示した様な、クラッドモードに結合する。この場合は過剰損失にならない。しかし、図３（ａ）に示した基本モードが図３（ｂ）に示した様な高次モードと結合すると、このモードは再びコア１１を伝搬する基本モードに完全には戻ることはなく、過剰損失の原因となる。
なお、ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０において、偏波軸では応力付与部１３，１３が存在するため、基本モードが高次モードに結合して過剰損失となる現象が生じるが、該偏波軸と直交する軸においては、応力付与部１３，１３が存在しないため、延伸によりＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０が細径化しても基本モードは高次モードに結合しにくく、過剰損失の問題は生じにくい。
【００１１】
ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０においては、応力付与部１３、１３が存在し、また、その外径がクラッド１２の外径に対して例えば１／３〜１／４程度であり、大きい。そのため、クラッド１２に染み出した光が高次モードに結合しやすく、過剰損失が大きくなりやすい。この様に応力付与部１３、１３の存在によって過剰損失が大きくなり易いのは、ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０に限らず、他のＢｏｗ−Ｔｉｅファイバ、楕円ジャケットファイバなどの偏波保持光ファイバにおいても同様である。そして、このように応力付与部１３，１３に起因する損失は、種々の光ファイバの中でも偏波保持光ファイバ固有の現象である。
図２に示した融着延伸型の偏波保持光ファイバカプラにおいても、１本、１本のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０、１０において、それぞれ過剰損失が生じ、結果として偏波保持光ファイバカプラの過剰損失が大きくなる。
【００１２】
以下、本発明の一実施例について説明することにより、本発明の構成および効果を明らかにする。
本発明者らは特願２０００−８９８１４号において、２本の偏波保持光ファイバ（ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０，１０）のコア１１，１１をできるだけ近づけないようにして加熱、溶融、延伸して融着延伸部３を形成することにより、図４に示した様に、延伸が進行し、光の結合が生じ始める時点からふたつの偏波の結合度の差を大きくすることができる偏波保持光ファイバカプラの製造方法を提案した。なお、結合度はＸ偏波、Ｙ偏波のそれぞれにおいて、延伸が進行するにしたがって増加し、１００％付近に到達した後、減少し、０％付近に到達した後、再び増加する周期的な変動を繰り返し、波状の曲線を描く。
この製造方法においては、以下のような効果が得られる。
（１）延伸長が短いため、機械的強度の大きい偏波保持光ファイバカプラが得られる。
（２）Ｘ偏波あるいはＹ偏波が、一方の偏波保持光ファイバから他方の偏波保持光ファイバに結合する回数（移行回数）を少なくすることができるため、低損失である。
（３）広い波長帯域で結合度の偏波依存性の大きい偏波保持光ファイバカプラが得られる。
【００１３】
そこで、この製造方法によってＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０、１０の細径化による過剰損失に留意せずに偏波保持光ファイバカプラを製造したときの状態を図５に示した。
図５に示したグラフから分かるように、上述の様な基本モードの高次モードへの結合による過剰損失は、ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０の延伸長の拡大、すなわち、細径化に伴って周期的に増減を繰り返し、波型の曲線を描く。なお、この損失のピーク値は、偏波保持光ファイバの屈折率プロファイルにもよるが、経験的に３〜１０ｄＢ程度である。また、高次モードヘの結合による過剰損失の変動の周期は、応力付与部１３、１３が近距離にあるために、隣のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０のコア１１ヘと結合する結合度の変動の周期に比べて短くなる。
【００１４】
すなわち、延伸長に伴い、結合度の変動と、過剰損失の変動は、それぞれの周期で独立して繰り返される。
図４に示した偏波保持光ファイバカプラにおいては、Ｓｌｏｗ軸の結合が殆どゼロのときに、Ｆａｓｔ軸の結合がほぼ１００％に到達しており、この所望の結合特性が得られる理想的な偏波結合ポイントにおいて、ふたつの偏波を分岐するＰＢＳ動作（ＰＢＣ動作と同義）を生じさせることができることが明らかである。
そして、図５に示した様に、結合度の変動と、過剰損失の変動において、この理想的な偏波結合ポイントと過剰損失が大きくなる点とが一致すると過剰損失が大きい偏波保持光ファイバカプラとなる。
【００１５】
一方、図６に示した様に、理想的な偏波結合ポイントと過剰損失が小さくなる点とが一致すると過剰損失が小さい偏波保持光ファイバカプラとなる。
すなわち、理想的な偏波結合ポイントにおいて、偏波保持光ファイバの応力付与部に起因する過剰損失がほぼ最小になる様に偏波保持光ファイバカプラの設計を行うことにより、過剰損失の小さな偏波保持光ファイバカプラを得ることができる。
そこで、例えば融着延伸部３の形成の後、またはこの形成と同時に、使用波長域の光をこの偏波保持光ファイバカプラに入力し、結合度をモニターするとともに過剰損失をモニターし、理想的な偏波結合ポイントと過剰損失が最小値となるポイントとが一致する様に融着延伸部３を加熱し、調整する。
なお、使用波長域は特に限定されないが、例えば９００〜１６５０ｎｍ程度の範囲から適宜選択される。
【００１６】
この調整時に物理的に変化し、結合度や過剰損失の値に影響するのは融着延伸部３の形状である。この形状を規定するパラメータは、融着延伸部３の最小外径、融着延伸部３の長さ、アスペクト比などである。なお、本発明においてアスペクト比とは、図２に示した様に融着延伸部３の長さ方向の中央において、その断面の最大外径ｂの最小外径ａに対する比（ｂ／ａ）である。通常、最小外径ａは偏波軸に略平行方向の長さであり、最大外径ｂはこれに直交する方向の長さである。
【００１７】
具体的には結合度の変動の周期はコア１１，１１の距離によって変化し、過剰損失の変動の周期は１本１本のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０の外径によって変化する。
例えば、ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０の外径を変化させずにアスペクト比を大きくすると、１本のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０の外径のみで決定される高次モードヘの結合による過剰損失の変動の周期は変化しないが、２本のコア１１、１１間の距離が大きくなる。その結果、延伸に伴って２本のＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０、１０の間で生じる光の結合が遅くなり、結果として結合度の変動の周期が長くなる。
ここで、最適なアスペクト比を求めるためには、例えば以下の様な方法を適用すると好ましい。
すなわち、融着延伸部３を形成した後、あるいは形成と同時に、使用波長域の光を偏波保持光ファイバカプラに入力し、結合度をモニターするとともに、過剰損失をモニターし、理想的な偏波結合ポイントと過剰損失が最小値となるポイントがほぼ一致する様に、融着延伸部３の加熱条件を調整する。
一般に強加熱（加熱温度が高い）であれば、小さなアスペクト比、弱加熱（加熱温度が低い）であれば、大きなアスペクト比が得られる。
したがって、図５、図６に示した様な結合度の曲線を、例えばグラフ中の左側にシフトさせて、より短い延伸長のときに結合度を大きくしたいときには強加熱を行い、逆の場合には、弱加熱で溶融を行う。
このようにして、結合度の変動の周期と過剰損失の変動の周期を、所望の結合度が得られ、かつ過剰損失が最小値になる様に整合させることにより、使用波長域において、図６に示した様な特性を備えた過剰損失の小さい偏波保持光ファイバカプラが得られる。
【００１８】
なお、最適なアスペクト比は、所望の偏波保持光ファイバカプラの特性や、使用する偏波保持光ファイバ（ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１０）によっても異なる。そのため、通常は、製品種類毎、あるいは使用する偏波保持光ファイバのロット毎に個別に設定する必要が生じる。
【００１９】
この他、上述の形状を規定する最小外径や融着延伸部３の長さをパラメータとして調整することによっても、結合度の変動の周期と過剰損失の変動の周期の最適化を図ることができ、過剰損失の小さい偏波保持光ファイバカプラを得ることができる。なお、本実施例においてはＹ偏波の結合度のみを挙げて説明したが、必要に応じてＸ偏波、またはＸ偏波とＹ偏波の両方の結合度をモニターして調整工程を行うこともできる。
【００２０】
図７はこの様にして得られた偏波保持光ファイバカプラの波長と過剰損失との関係の例を示したグラフである。波長との関係（波長特性）においても、延伸長との関係と同様に、過剰損失は増加と減少を繰り返し、波状の曲線を描く。
そして、この偏波保持光ファイバカプラにおいては、過剰損失が破線Ａで示される場合には、使用波長域の中心波長が理想的な結合ポイントと一致しており、かつ過剰損失の最小値が得られる波長がこの中心波長と一致している。したがって、使用波長域において、理想的な偏波合成が得られ、かつ過剰損失が最小値となっている。
一方、破線Ｂは、過剰損失の最小値が、使用波長域の中心波長よりも２０ｎｍ短波長側にシフトしているものである。この場合、使用波長域における過剰損失が１ｄＢ増加する。よって、過剰損失を、使用上好ましい１ｄＢ以下に抑えるためには、使用波長域の中心波長と、過剰損失の最小値が得られる波長との差が２０ｎｍ以下になる様に調整することが好ましい。
なお、出来上がった偏波保持光ファイバカプラの過剰損失が最小値をとる位置が最適な偏波合成ポイントをとる波長域とずれている場合は、調整工程における条件を微調整したり、さらに加熱し、調整を行うことによって、結合度の変動の周期と過剰損失の周期を調整し、過剰損失の小さい偏波保持光ファイバカプラを得ることができる。
【００２１】
また、偏波保持光ファイバカプラの延伸に伴って進行する光結合は、長波長側で速く進行し、短波長側で遅く進行する。
そこで、結合度の波長依存性と、過剰損失の波長依存性をモニターすると、延伸に伴う結合度と過剰損失の変化を予測することができる。
すなわち、通常は、偏波保持光ファイバカプラの製造において、理想的な偏波合成ポイントと、過剰損失が最小値をとる位置とを一致させたい波長がある。
そして、上述の結合度と過剰損失の波長依存性において、現時点のこの所望の波長よりも長波長側で生じている現象は、現時点よりも延伸を進行させたときの、未来のこの所望の波長で生じる現象が現れている。逆に、短波長側で生じている現象は、現時点よりも延伸が進行していなかったときの、過去のこの所望の波長で生じていた現象が現れている、と言える。
したがって、結合度と過剰損失の波長依存性をモニターし、特に所望の波長よりも長波長側の結合度と過剰損失の状態を観察することにより、上述の様に、延伸に伴う結合度と過剰損失の変化を予測することができ、これを基に調整を行って、所望の波長において、理想的な偏波結合ポイントと、過剰損失が最小値をとる位置とを一致させることができる。
なお、本発明の製造方法は、前記所望の波長において、過剰損失が最小値となる様に調整することを必須とするため、得られた製品の光学特性においては、必然的にこの所望の波長（使用波長域）において過剰損失が最小値となる図７に示した様な特性を示す。
【００２２】
本実施例においては、ＰＢＳ（またはＰＢＣ）を例として説明したが、所望の結合条件において過剰損失が延伸長、あるいは波長特性において最小値となるように作製するという点において、光パワー合分岐型、波長合分岐型などの全ての融着延伸型偏波保持光ファイバカプラに対して同様に適用可能である。
また、よく用いられている偏波保持光ファイバとしてＰＡＮＤＡ型光ファイバを例として説明したが、これに限るものではなく、他のＢｏｗ−Ｔｉｅファイバ、楕円ジャケットファイバなどの偏波保持光ファイバを用いた場合についても適用可能である。
【００２３】
また、この様にして、所望の特性が得られる偏波保持光ファイバカプラの製造条件を求めれば、この条件を用いて他の偏波保持光ファイバカプラを製造することにより、同様の特性の偏波保持光ファイバカプラを、繰り返して生産し、量産することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、所望の結合度の変動の周期と過剰損失の変動の周期とを調整することにより、過剰損失の小さい偏波保持光ファイバカプラを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＰＡＮＤＡ型光ファイバの一例を示したもので、図１（ａ）は光ファイバの長さ方向と直交方向に切断した断面図、図１（ｂ）は屈折率プロファイルを示した図である。
【図２】 偏波保持光ファイバカプラの一例を示した斜視図である。
【図３】 図３（ａ）〜図３（ｃ）はＰＡＮＤＡ型光ファイバを導波する光の状態を示した説明図であり、図３（ａ）は、１本のＰＡＮＤＡ型光ファイバを導波する基本モードを示した説明図、図３（ｂ）は高次モードを示した説明図、図３（ｃ）は、細径化した後の基本モードのクラッドへの染みだしを示した説明図である。
【図４】 実施例に用いた偏波保持光ファイバカプラの結合度を示したグラフである。
【図５】 過剰損失に留意せずに偏波保持光ファイバカプラを製造したときの延伸長に対する結合度の変動と過剰損失の変動の関係を示したグラフである。
【図６】 延伸長に対する結合度の変動と過剰損失の変動を整合させたときの状態を示したグラフである。
【図７】 波長に対する過剰損失の変動を示したグラフである。
【符号の説明】
３…融着延伸部（光結合部）、
１０…ＰＡＮＤＡ型光ファイバ（偏波保持光ファイバ）。

Claims (3)

1. ２本の偏波保持光ファイバを並列させ、その長さ方向の一部を加熱し、この長さ方向に延伸して融着延伸部を形成する形成工程と、
   該形成工程と同時に、使用波長域の光および使用波長域よりも長波長側の光を、前記２本の偏波保持光ファイバのうちの一方の入力ポートに入力して、前記２本の偏波保持光ファイバの両方の出力ポートから出力させ、使用波長のＹ偏波の結合度の延伸に伴う周期的な変動と、使用波長のＹ偏波の過剰損失の延伸に伴う周期的な変動とをモニターしながら、使用波長において、Ｙ偏波の結合度が１００％に達する延伸長ポイントと過剰損失が最小値となる延伸長ポイントとが一致するように、前記融着延伸部の加熱条件を調整することにより、前記融着延伸部の形状を規定するアスペクト比を調整する調整工程と、を有し、
   使用波長域よりも長波長側でモニターすることにより、
   使用波長における結合度が１００％に達する延伸長ポイントが、使用波長における過剰損失が最小値となる延伸長ポイントよりも後に現れると予測された場合、前記調整工程において、アスペクト比を小さくするために前記融着延伸部の加熱温度を高くし、使用波長における結合度が１００％に達する延伸長ポイントが、使用波長における過剰損失が最小値となる延伸長ポイントよりも前に現れると予測された場合、前記調整工程において、アスペクト比を大きくするために前記融着延伸部の加熱温度を低くすることを特徴とする偏波保持光ファイバカプラの製造方法。
2. 請求項１に記載の偏波保持光ファイバカプラの製造方法において、前記偏波保持光ファイバカプラが偏波ビームコンバイナまたは偏波ビームスプリッタであることを特徴とする偏波保持光ファイバカプラの製造方法。
3. 前記偏波保持光ファイバがＰＡＮＤＡ型光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の偏波保持光ファイバカプラの製造方法。

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