JP4833411B2 - 光ファイバフィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は光ファイバフィルタと、テーパのついた単一モードのファイバを使用してそのようなフィルタを作る方法とに関する。特に、本発明は正弦応答性、あるいは任意の所望の濾過振幅と振動周期とを有する変調された正弦応答性を備えた波長フィルタを作る方法を提供する。
【０００２】
（発明の背景）
テーパ付きの光ファイバフィルタは当該技術分野において周知である。それらは、クラッデイングモード間に干渉を発生させ、それにより波長依存の透過を作るように単一モードの光ファイバにテーパを付けることによって作られる。
【０００３】
そのようなテーパの付いた一ファイバフィルタが１９９１年５月２１日発行されたカナダ特許第１，２８４，２８２号に記載されている。前記特許は、単一モードのファイバに複数の一連の双円錐形テーパ部分を含み、前記テーパ部分が所望の濾過特性を提供する種々の輪郭を有する通過帯域フィルタを提供する。
【０００４】
また、１９９０年８月７日付けのゴンシア他（Gonthier et al）による米国特許第４，９４６，２５０号は、各々が所定の輪郭を有し、小さい距離だけ相互に分離されている２個の双円錐形テーパを形成した通過帯域／停止帯域フィルタを開示している。これは、所定波長の一方の信号を透過させることが可能にし、一方異なる波長の第２の信号を停止出来るようにする。
【０００５】
そのような従来技術によるフィルタの問題は応答が通常３個以上のモードを含み、それにより正弦応答において制御不能な変調を発生させることである。更に、１２００から１７００ｎｍの範囲の標準的な単一モードのマッチングした被覆材ファイバ作動において、振動の最大振幅は９０％未満であり、その結果フィルタは１から３ｄＢの小さい濾過振幅に制限されている。
【０００６】
（発明の目的と要約）
本発明の目的は１％から９９．９％までの基本的に任意の所望の周期および任意の振幅を備えた正弦応答を有する光ファイバフィルタを製造することである。
【０００７】
本発明の別の目的は単一のモードのファイバに単一のテーパ部分を備えたフィルタを製造することである。
【０００８】
本発明のその他の目的や利点は以下の説明から明らかとなる。
【０００９】
本発明によるフィルタの応答は以下の関係から決めることが出来る。
Ｔ＝１―αｓｉｎ²[（λ―λ₀）П／Λ]
但し、Ｔはフィルタの光学透過性、
αはフィルタの振幅、
λはフィルタを通過する光線の波長、
λ₀はフィルタの基準波長すなわちフィルタの中心波長、
Λはフィルタの波長周期である。
【００１０】
基本的には、本発明によれば、各端に傾斜部分を備えた細長い中央の領域を有する単一モードファイバにおける基本的に断熱性のテーパーを含み、フィルタの振幅と波長周期における所定の正弦応答を発生させるような、前記中央の領域の末端に２個の結合領域を形成する非断熱性のテーパーが前記中央の領域の各端の傾斜部に設けられている光ファイバフィルタが提供される。このことは、制御された仕方でＬＰ０１およびＬＰ０２モードを励起する状態を長い断熱性のテーパーの末端に提供する。大きい振幅が所望される場合、双方のモードとも均等に励起される必要がある。すなわち、パワーの５０％はＬＰ０２モードで結合される必要があり、一方最初は全てのパワーは基本モードに留まっている。
【００１１】
新規な光ファイバフィルタを作る好適方法を以下説明する。
【００１２】
単一モードファイバは光源装置と検出器装置との間に接続されている。光源装置は双方とも１５５０ｎｍのウインドウで作動するレーザ源と広帯域源との間で切り替え可能にする。検出器装置は光線を光検出器とスペクトル分析器との間で切り替えさせ、フィルタの所定の波長における応答がレーザおよび光検出器によって決定可能で、一方フィルタのスペクトル応答が広帯域源とスペクトル分析器とを使用してモニタ可能である。操作を開始する前に、フィルタの機能が測定結果と関連するように光源と検出器とを正規化する。
【００１３】
次に、ファイバは所定の長さ、例えば２０ミリメートルに亘って保護ジャケットを剥離され、適当な加工装置上に置かれ、そこでファイバは剥離された部分の各端において締め付けられ、加工装置は締め付けれた各端においてファイブを規則正しく引っ張ることが可能な２個のモータ駆動のステージを含む。また、前記装置は、例えばトーチのような時間的に正確な熱源を含み、前記熱源は炎をファイバに近づけ、長手方向に炎に触れて幅広い炎に似せるようにするモータ駆動の三軸ホルダに装着されている。
【００１４】
フィルタ製造工程の第１の段階はファイバの剥離した部分に長い基本的に断熱性のテーパーを作ることである。例えば、ファイバが２０ミリメートルに亘り保護コーテイングを剥離された場合、断熱性のテーパーは、剥離された部分を熱源、例えば炎の付いたトーチで加熱し、更に２０ミリメートル引っ張ることによって作られ、それによって直径を約５０％縮小させる。トーチの炎はある長さ、例えば６ミリメートル以上ファイバに触れ、テーパー、すなわちより高次のクラッデイングモードを励起させないテーパーの断熱状態を提供する。この段階では何ら余分のモードは励起されないので、全てのパワーは基本モードに留まり、透過パワーは引張り作用によって発生した伸びの関数として一定に留まる。一旦、断熱性のテーパーが仕上がると、トーチは取り外され、スペクトル分析器での形跡は何ら結合が無い、すなわち透過が０ｄＢであることを示す。
【００１５】
次の加工工程はＬＰ０１およびＬＰ０２モードを制御された仕方で励起するような状態を、第１の段階で作られた断熱性のテーパーの末端に創り出すことである。大きな振幅が所望の場合、双方のモードを均等に励起する必要がある。すなわち、パワーの５０％をＬＰ０２モードにおいて結合する必要がある。そのような結合は断熱性のテーパーの中央の領域の各端の傾斜部に、短い混合テーパーである非断熱性のテーパーを作ることによって実現される。このために、触れ無しの小さい焔が使用され、ファイバはパワーが適当な値、例えば５０％まで減少するまで引っ張られる。パワーはサイクルを経由し、５０％の値に達する前に数回のサイクル、例えば２あるい３回のサイクルを経由する必要がある。５０％の結合を達成し、第３モードＬＰ０３の励起を可能な限り小さくするためには、各傾斜部における非断熱性のテーパーの位置は重要である。そのような位置は各種型式のファイバに対しては試行錯誤により決定しうるが、例えばコーニング社（Corning）によって製造されているＳＭＦ−２８のような標準的なマッチングしたクラッデイングファイバを使用する場合には、トーチは断熱性のテーパーの直径がファイバの直径の６８％である傾斜部上の個所で近接させる必要がある。焔の大きさは最大振幅結合が約５０％である短い非断熱性のテーパーを提供するように選択される。
【００１６】
断熱性のテーパーの一方の傾斜部に第１の非断熱性のテーパーを作った後、第１の結合にマッチングする第２の短い非断熱性のテーパーが他方の傾斜部に同様の方法で作られる。このことは、末端に２個の結合領域と中央のビーテイング領域とを有するフィルタ構造体を作る。そのような構造体において、ＬＰ０１およびＬＰ０２の間の比は容易に制御可能である。２アーム式干渉計の場合と同様に、パワー分割が当該装置の両端において５０％である場合、コントラストは最大である。このことは、第２の非断熱性のテーパーを形成している間に一連の伸長個所にあるスペクトル計によって示される。一旦コントラストが最大になると、第２の非断熱性のテーパーを形成する引張り工程が停止される。２個の非断熱性のテーパーがマッチングしたとの良好な指示は、伸長が進行するにつれてフィルタの透過ピークにおける余分なロスの減少によって示され、前記ロスは終わりには極めて低くなる。このように、フィルタの所望の合計テーパを達成するには、マッチングし、かつ所望の合計振幅の半分である分割比を有する非断熱性のテーパーを断熱性のテーパーの傾斜部に作る必要がある。
【００１７】
このような構造体では、１００ｎｍで所望の周期を有するフィルタを製造することが可能になる。２個の非断熱性のテーパーの間でのフィルタの中央の領域を伸長させることは２つのモードの間の移相を増大させ、従ってフィルタの周期を減少させる。透過ピークのロスは時間と共に変化するのではなく、このことは周期の変更が非断熱性のテーパーとは無関係であることを意味する。
【００１８】
最後に、変調した正弦応答が所望される場合、非断熱性すなわち混合のテーパーの大きさは変更されて波長に対する依存性をより大きくして、フィルタの正弦周期における変調を発生させるようにしてもよい。
【００１９】
本発明の好適実施例を添付図面を参照して以下説明する。
【００２０】
（好適実施例の詳細説明）
同じ要素は同じ参照番号で指示している添付図面を参照すれば、図１は本発明によるフィルタを作るのに適した加工装置を概略的に示す。前記装置は光源装置２０と検出器装置２２とを含む。光源装置２０は、双方とも１５５０ｎｍのウインドウで作動しているレーザ源と広帯域源との間で切り替え可能である。検出器装置２２は、フィルタの一波長における応答性がレーザと検出器とによって検出され、フィルタのスペクトル応答性が広帯域源とスペクトル分析器とを使用してモニタ可能であるように光検出器とスペクトル分析器との間で光線を切り替え可能にする。
【００２１】
ファイバ２４はコアと、被覆材と、保護ジャケットとを備えた任意の単一モードフィルタでよい。この例においては、コーニング社によって製造されている標準的はマッチングしたファイバＳＭＦ―２８が使用されている。前記ファイバは該ファイが熱によって軟化されると該ファイバ２４を引っ張ることが出来るように矢印３０、３２によって示すように運動可能なモータ駆動のステージ２６、２８によって締め付けられている。加熱源３４は本例においてはトーチ３６と炎３８を設けられている。この加熱源３４は通常三軸のモータ駆動のホルダに装着されており、炎３８がファイバ２４に近接し、広い幅の炎の振りをするように長手方向に触れることができるようにする。同じ効果を発生させる任意の型式の加熱源を使用できる。ファイバ２４は加熱される前に、この場合は約２０ミリメートルの長さに亘って保護ジャケットが剥離され、その後加熱され、図２に示すようなフィルタ４０を作るべく順次引張られる。（この場合、振動周期を制御するために必要に応じて調整可能である長さＡの）細長い中間ゾーン４２を有する以外に、フィルタ４０はこの中間ゾーン４２の末端において２個の末端において２個の混合テーパー４４、４６を有しており、該テーパーは正弦応答の振幅を制御する。当該装置の両端においてパワー分割が５０％である場合、コントラストは最大となる。
【００２２】
フィルタ４０を製造する方法が図３ａ，図３ｂ，図３ｃに示されている。第１の段階は図３ａに示され、焔３８を備えたトーチ３６をファイバ２４に近接させ、ファイバ２４が軟化するまで該ファイバに長手方向に触れさせることによってファイバ２４に長くて（例えば４０ミリメートル）基本的に断熱性のテーパー（ｔａｐｅｒ）を作ることから構成されている。ファイバは次に矢印３０、３２で示すように引張られ、直径を約５０％縮小させる。適当な触れを提供するには、炎３８は矢印３１、３３および３５で示すように三軸方向に動かしてよい。このことは、炎３８がファイバの少なくとも６ミリメートルに触れることが出来るようにし、そのため断熱性のテーパー４１、すなわちより高いレベルのクラッデイングモードを励起させないようにするテーパーを形成出来るようにする。余分のモードが何ら励起されないので、全てのパワーは基本モードに留まり、透過パワーは図４に示すように一定に留まっており、図４においては引張り長さすなわち伸びの関数としてレーザによってモニタされたパワーは一定である。このような断熱性のテーパー４１が仕上がると、図５に示すようにスペクトル分析器によって発生する形跡もまた、なんら結合がないことを示し、透過は０ｄＢである。
【００２３】
次の加工段階はＬＰ０１およびＬＰ０２モードを制御された状態で励起する状態を断熱性のテーパー４１の末端において創り出すために使用される。大きな振幅を達成するためには、双方のモードは均等に励起されなければならず、すなわち５０％のパワーがＬＰ０２モードにおいて結合されなければならない。この結合は図３ｂに示すように、断熱性のテーパー４１の傾斜部に非断熱性のテーパー４４を形成することによって実現される。このために、触れ無しで小さい炎が使用され、ファイバ２４は適当な結合値（例えば５０％）を達成するように矢印３０、３２で示す方向にゆっくりと引っ張られる。このことが図６においてグラフで示されている。テーパーは通常サイクルを経過し、５０％の値に達するまでに２ないし３回のサイクルを経由する必要がある。更に、５０％の結合を提供し、第３のモードＬＰ０３の励起を出来るだけ小さくするために、傾斜部において非断熱性のテーパー４４を適正に位置させることが重要である。ファイバがこの例のように使用された状態で、炎３９は傾斜部の直径がファイバ２４の直径の６８％である点に近接させる必要がある。炎３９のサイズはまた約５０％の最大振幅結合を提供するように選択される。図３ｂに示す第１の非断熱性のテーパー４４を形成した後、スペクトル分析器は図７に示すような形跡を発生させる。このグラフに存在する小さい振れは図３ａで得られた元のテーパー４１が完全に断熱性でなく、テーパーの他端において依然として数パーセントの結合が発生していることを示しているが、これは許容範囲である。
【００２４】
一旦第１の非断熱性のテーパー４４がテーパー４１の一方の傾斜部に作られると、第２の非断熱性のテーパー４６が他方の傾斜部に作られ、第１の非断熱性のテーパーの結合とマッチングする。このことが図３ｃに示されており、矢印３０、３２によって示されているようにファイバを両端でゆっくりと引っ張りながら、ここでもテーパー４６を作るために小さい炎３９が使用される。このようにして図２と図３ｃとに示されているような構造体を形成し、該構造体は中央のビーテイング（ｂｅａｔｉｎｇ）領域４２と末端に非断熱性のテーパー４４および４６によって形成される２個の結合領域とを有する。このような構造体を作る場合に、ＬＰ０１とＬＰ０２との間の比は容易に制御される。パワー分割がビーテイング領域４２の両端において５０％である場合、コントラストは最大となる。このことは第２の非断熱性のテーパー４６を作る間に得られる正弦曲線によって示されている。このように、図８は６ｄＢで達成されるコントラストを示し、図９は１０ｄＢに至るコントラストを示し、図１０は３０ｄＢに達するコントラストを示す。これらのスペクトルは図３ｃに示すように第２の非断熱性のテーパー４６を形成する場合に一連の伸長点において測定された。一旦コントラストが最大値にあると、図３ｃに示す引っ張り工程は停止される。２個の非断熱性のテーパー４４、４６がマッチングしているのことの良好な指示は図１０に示すように、伸長工程が進行するにつれて、フィルタの透過ピークにおける余分なロスが極めて低いことである。このように、フィルタ４０の所望の全体振幅を達成するには、該領域４１の他端の傾斜部に形成される非断熱性のテーパーとマッチングし、所望の合計振幅の半分である分割比を有する非弾性性のテーパーを領域４１の一方の傾斜部に形成する必要がある。２個の非断熱性のテーパー４４および４６はフィルタの混合テーパーとして作用する。この技術を利用すると、分割比は混合テーパーからの波長と共に一定ではないから、最大振幅はある限定された範囲の波長にわたり有効である。図１０に示す例において、この範囲は２５ｄＢより大きい振幅に対して約１００ｎｍの幅である。これは以下説明するようにその他の型式の応答を発生させるために使用可能である。
【００２５】
図３ｃに示す構造体から、１００ｎｍより小さい任意の周期を有するフィルタを作ることが出来る。それはテーパーのように作動するので、中央の領域４２を伸長することは２つのモードの間の移相を増大し、従ってフィルタの周期を減少させる。図１１は２０ｎｍの周期のスペクトルを示す。中央の領域４２を更に伸長させた後、図１２に示す周期は今や８ｎｍとなっている。中央の領域４２は、更に図１３に示す３ｎｍの周期まで引き伸ばされる。周期はこのように一度に伸長フリンジを経由することによって極めて正確に調整可能である。図１１から図１３までから判るように、透過ピークのロスは周期と共に変化するのではなく、混合テーパーを創り出し、周期を変更する工程を相互に独立させる。図１３に示す遮断すなわち最小の透過はスペクトル分析器の分解能によって制限されている。
【００２６】
所望なら、混合テーパーは非断熱性のテーパーを伸長させることによってより波長依存性にされ、それによって、フィルタの正弦周期に所定の変調を発生させることが可能である。
【００２７】
本発明は前述した特定実施例に限定されるのではなくて、本発明の精神や特許請求の範囲から逸脱することなく当該技術分野の専門家には各種の明白な修正を行なうことが可能であることに注目すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の目的のために使用される加工装置の線図である。
【図２】 本発明によるフィルタの斜視図である。
【図３ａ】 本発明によるフィルタを作る方法の基本的段階を示す。
【図３ｂ】 本発明によるフィルタを作る方法の基本的段階を示す。
【図３ｃ】 本発明によるフィルタを作る方法の基本的段階を示す。
【図４】 図３ａに示すようにして得られた断熱性のテーパーの伸長の関数としてのパワーのグラフである。
【図５】 図３ａに示すようにして得られた断熱性のテーパーの波長の関数としてのパワーのグラフである。
【図６】 図３ｂに示すようにして得られた第１の非断熱性のテーパーを備えた該装置の伸びの関数としてのパワーのグラフである。
【図７】 図３ｂに示すようにして得られた第１の非断熱性のテーパーを備えた該装置の波長の関数としてのパワーのグラフである。
【図８】 コントラストが６ｄＢである第２の非断熱性のテーパーの加工中に得られるグラフである。
【図９】 図８に示すようなグラフであるが、コントラストが１０ｄＢに至る場合のグラフである。
【図１０】 ３０ｄＢの最大コントラストに到達した場合のグラフである。
【図１１】 ２０ｎｍの周期を有するスペクトルを備えたフィルタを示す図である。
【図１２】 ８ｎｍの周期を有するスペクトルを備えたフィルタを示す図である。
【図１３】 ３ｎｍの周期を有するスペクトルを備えたフィルタを示す図である。

Claims (13)

1. より高次のクラッディングモードを励起させない断熱性のテーパーを単一モードファイバ内に有する光ファイバフィルタであって、前記断熱性のテーパーは、各端に傾斜部分を備えた細長い中央の領域を有し、また前記中央の領域の各端の傾斜部には、前記中央の領域の末端に２個の結合領域を形成するように、ＬＰ０１およびＬＰ０２モードを制御された仕方で励起する非断熱性のテーパーが設けられ、それによってフィルタの振幅と波長周期に所定の正弦応答を発生させる光ファイバフィルタ。
2. 前記所定の正弦応答が以下の関係によって決まることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
   Ｔ＝１−αｓｉｎ^２［（λ−λ_０）π／Λ］
   但し、Ｔはフィルタの光学的透過率、
   αはフィルタの振幅、
   λはフィルタを通過する光線の波長、
   λ_０は基準波長すなわちフィルタの中心波長、
   Λはフィルタの波長周期である。
3. 前記中央の領域の各端に設けられた非断熱性のテーパーは、直径が５０％縮小していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
4. 前記中央の領域の各端において５０％の最大振幅結合を有し、両端でのパワー分割が５０％であることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバフィルタ。
5. 前記フィルタの周期は、前記２つの非断熱性のテーパーの間の前記フィルタの中央の領域の長さを制御することによって制御されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の光ファイバフィルタ。
6. 前記非断熱性のテーパーの幅を調整することによって前記フィルタの周期の変調が行なわれることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の光ファイバフィルタ。
7. 光ファイバフィルタを製造する方法であって、
   （ａ）より高次のクラッディングモードを励起させない断熱性のテーパーであって、各端に傾斜部分を備えた細長い中央の領域を有する断熱性のテーパーを単一モードのファイバに形成する段階と、
   （ｂ）前記中央の領域の各端に結合領域をもたらすように前記中央の領域の各端の傾斜部に、ＬＰ０１およびＬＰ０２モードを制御された仕方で励起する非断熱性のテーパーを形成する段階であって、該２つの結合領域は、前記フィルタの振幅と波長周期とに所定の正弦応答をもたらす段階と
   を含む方法。
8. 保護ジャケットを剥離した前記単一モードファイバの部分に炎を有するトーチを近づけ、所定の長さに亘ってファイバのこの部分に炎を触れさせ、同時に前記中央の領域において直径が所望する程度に縮小するまでファイバの両端を引っ張ることによって前記断熱性のテーパーが形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 直径が５０％縮小するまで前記ファイバの両端が引っ張られることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記中央の領域の各端における傾斜部上の非断熱性のテーパーは、炎を備えたトーチを前記中央の領域の一端にある傾斜部上の所定の個所まで近づけ、そしてパワーが所定の値に減少するまでファイバの両端をゆっくりと引っ張り、次にこの手順を前記中央の領域の他端において繰り返すことによって形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 前記中央の領域の両端におけるパワー分割が５０％であるように前記両端に非断熱性のテーパーが形成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記フィルタの所望の波長周期が得られるまで前記中央の領域を加熱し、かつ伸長させる段階を更に含むことを特徴とする請求項７から１１までのいずれか１項に記載の方法。
13. 前記波長周期に所望の変調を発生させるように非断熱性のテーパーを伸長させる段階を更に含むことを特徴とする請求項７から１２までのいずれか１項に記載の方法。

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