JPH04223411A - 光ファイバの融着接続構造および融着接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバの融着接続に
おいて、接続部分の損失の低減を目的としたもので、特
に、モードフィールド径が異なる２本の光ファイバを接
続する場合や、偏心の大きな光ファイバどうしを接続す
る場合の接続損失の低減を目的としている。この技術は
特に光増幅用ファイバのように伝送線路に使用している
ファイバとパラメータの大きく異なるファイバを、伝送
路ファイバに融着接続する場合に有用である。

【０００２】

【従来の技術】実質的に単一モード伝送が可能なファイ
バをここでは単一モードファイバと呼ぶことにする。例
えば、屈折率分布がステップ型のファイバでは、以下の
数１で示される正規化周波数Ｖが２．４以下のものを単
一モードファイバという。

【０００３】

【数１】

【０００４】上記数式においてλは光の波長、ａはコア
半径（μｍ）、ｎはコアガラスの屈折率、Δはコアとク
ラッド間の相対屈折率差（比屈折率差、％）である。し
かし実際には、Ｖ値が３．２程度であっても第２次モー
ドは長距離伝搬せず、実質的に単一モード伝送となるの
で、この程度のＶ値を有するファイバを含めて単一モー
ドファイバと考える。

【０００５】また上記単一モードファイバを伝搬する基
本モードの大きさをモードフィールド径と称する。モー
ドフィールド径（ＭＦＤｐ）の定義は、国際標準では、
次の数２により与えられる。

【０００６】

【数２】

【０００７】この数式において、Φ（ｒ）はコアの光の
電界分布である。この数式で与えられるモードフィール
ド径（ＭＦＤｐ）は、近似的には、ファイバの端面にお
けるニアフィールドパターン（近視野像、ＮＦＰと略記
される。）においてピーク光強度の１／ｅ２を与える直
径ＭＦＤＮと数％〜数１０％の誤差で一致している。

【０００８】そして、モードフィールド径の異なる２本
の光ファイバを接続すると、その接続損失ＳＬ（ｄＢ）
は、次の数３により与えられる。

【０００９】

【数３】

【００１０】通常はモードフィールド径の大きく異なる
光ファイバ間の接続を行なうことは難しく、せいぜい数
％以内のモードフィールド径の差を有する光ファイバ同
士を接続することが普通であった。

【００１１】上記数３より、モードフィールド径が１０
％異なる光ファイバ間の接続を想定してみると、これに
よる接続損失は、０．０５ｄＢ程度であり、いわば許容
範囲にある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】昨今注目されている光
ファイバ技術として、希土類添加光ファイバによる光の
直接増幅がある。図８は、その増幅技術の一例を示すも
のであって、この図に示された増幅器は、希土類添加光
ファイバ１（特に有望なものとしては、波長１．５５μ
ｍ帯の光増幅を目指したエルビウム添加単一モードファ
イバである。）に、光カプラ２を用いて励起光源３から
の励起光と信号光４とを入射し、励起光で励起された希
土類イオンのエネルギーが誘導放出によって信号光に与
えられ、増幅された光がファイバ通信路５に伝送される
構成になっている。

【００１３】ここで、希土類添加光ファイバ１のコア径
は、かなり小さく設定されることが多い。その理由は、
希土類添加光ファイバのコアの希土類イオンを、コアの
半径方向にむらなく、かつ十分な励起をさせるためには
、希土類添加光ファイバのパラメータとして、コアとク
ラッド間の比屈折率差を大きく設定すること、コア径は
小さく設定すること、及びコア内における光の電磁界の
強度を高く設定することが望ましいからである。

【００１４】この結果、通常の光ファイバの１．５５μ
ｍにおけるモードフィールド径が１０．５μｍ程度と大
きく設定されるのに対して、希土類添加光ファイバでは
５〜６μｍ程度と非常に小さなモードフィールド径が設
定されることが多い。

【００１５】このモードフィールド径の大きな差によっ
て、これら２種のファイバを接続した場合の接続損失は
非常に大きなものとなる。例えば、１０．５μｍのモー
ドフィールド径の光ファイバと、５．５μｍのモードフ
ィールド径の光ファイバとを接続すると、その接続損失
は１．７ｄＢとなる。さらに光ファイバ増幅器では、図
８に示すように、希土類添加光ファイバ１の両端に通常
の光ファイバとを接続し、入射側の接続部６と出射側の
接続部７の双方で接続損失を受けるために、合計損失は
倍の３．４ｄＢとなってしまう。

【００１６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、光ファイバの接続における損失を低減させることが
可能な光ファイバの融着接続構造と融着接続方法の提供
を目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明による融着接続構
造は、２本の光ファイバの各端面を突き合わせ融着した
融着接続部近傍でのモードの伝搬状態を、クラッドを含
むファイバ全体がコアとなり、その周囲の空気がクラッ
ドとなるように形成することによって上記課題を解消し
た。

【００１８】また２本の光ファイバのうちの一方は、モ
ードフィールド径が他方の光ファイバよりも小さく、そ
のコアには希土類を含むものであってもよい。

【００１９】また接続すべき光ファイバが実質的に単一
モードファイバであってもよい。

【００２０】また上記融着接続構造の形成方法としては
、２本の光ファイバを融着接続した後、融着接続部近傍
を加熱して、光ファイバのコアとクラッド間の屈折率差
を維持しているドーパントを拡散させ、実質的にコアと
しての導波能力を消失させ、融着接続部近傍でのモード
の伝搬状態を、クラッドを含むファイバ全体をコアとし
周囲の空気をクラッドとする方法が望ましい。

【００２１】また融着接続方法としては、２本の光ファ
イバを融着接続した後、融着接続部近傍を加熱しながら
光ファイバを長手方向に引っ張り、接続部のファイバ径
を細めると同時にコア径も細め、実質的にコアとしての
導波能力を消失させ、融着接続部近傍でのモードの伝搬
状態を、クラッドを含むファイバ全体をコアとし周囲の
空気をクラッドとする方法でもよい。

【００２２】

【作用】本発明の融着接続構造では、２本の光ファイバ
の各端面を突き合わせ融着した融着接続部近傍でのモー
ドの伝搬状態を、クラッドを含むファイバ全体がコアと
なり、その周囲の空気をクラッドとした構造としたので
、接続された両方のファイバのモード分布が強制的に一
致させられ、これによって接続損失の低減が図れる。

【００２３】

【実施例】図１は本発明による融着接続構造の一実施例
を示す図である。この融着接続構造は、モードフィール
ド径が相対的に小さい第１の光ファイバ１０と、モード
フィールド径が相対的に大きな第２の光ファイバ１１の
それぞれの端面を融着接続するとともに、融着接続部分
１２を加熱し、双方のファイバのコア１３とクラッド間
の屈折率差を維持しているドーパントを拡散させて実質
的にコアとしての導波能力を消失させ、融着接続部分１
２でのモードの伝搬状態がクラッドを含むファイバ全体
をコアとし、周囲の空気をクラッドとするように構成さ
れている。

【００２４】これらの光ファイバ１０、１１は、単一モ
ードファイバが使用され、モードフィールド径の小さな
第１の光ファイバ１０は、希土類添加光ファイバを使用
することができる。

【００２５】これらの光ファイバ１０、１１の端面を融
着接続し、融着接続部を酸水素バーナで加熱してコアと
クラッド間の屈折率差を維持しているドーパントを拡散
させることにより、融着接続部分１２近傍では、コア１
３，１４とクラッドとの境界が無くなっている。そして
融着接続部分１２近傍では、クラッドを含むファイバ全
体がコアとなり周囲の空気がクラッドとなっている。

【００２６】また図２は、本発明に係わる融着接続構造
の他の実施例を示す図である。この融着接続構造は、第
１の光ファイバ１０と第２の光ファイバ１１の端面を融
着接続し、この部分を加熱しつつ長手方向に引っ張って
延伸を加え、ファイバ径を細めた延伸部分１５を形成し
て構成されている。

【００２７】この延伸部分１５では、それぞれの光ファ
イバ１０，１１が延伸されて細められ、それぞれのコア
１３，１４も細められ、これにより双方のファイバのモ
ードフィールド径が増大している。そしてこの延伸部分
１５近傍では、クラッドを含むファイバ全体がコアとな
り、周囲の空気がクラッドとなっている。

【００２８】ところで、モードフィールド径の異なる２
本のファイバを接続する場合には、（１）接続部分近傍
のファイバのコアを大きくかつクラッドの屈折率差を無
くしてしまうか、もしくは（２）ファイバを延伸するこ
とによりコアを十分に細め、もはや光がコアに閉じ込め
られなくすることにより、モードの広がりを十分に大き
く、かつその広がりの範囲をクラッドと空気との境界に
まで広げることにより、強制的にモードフィールド径の
一致を図り、接続損失を減少させることが可能となる。

【００２９】すなわち、単一モードファイバでは、いわ
ゆるディプレスト・クラッド形やＷ形と呼ばれる構造を
とらないファイバ、すなわちマッチト・クラッドファイ
バではコアを細くしたり、光屈折率差を小さくしたりす
ると、モードは最初のコア領域から広がっていって、も
はやコアに光が閉じ込められているとは言い難い状態に
なる。

【００３０】このときファイバに被覆がないと、ファイ
バはいわゆるエアークラッドとなる。このエアークラッ
ドファイバでは、ファイバガラス全体がコアとして振舞
い、周囲の空気がコアとなる。この状態では、基本モー
ドの電磁界分布はかなり高い近似で零次のベッセル関数
となる。すなわち、接続された両方のファイバのモード
分布は強制的に一致させられるので、接続損失の低減が
図られることになる。以上のように、本発明での融着接
続構造では、２本のファイバの融着接続部で精密に整合
させる必要は全くない。

【００３１】図３および図４は、図１に示した融着接続
構造の形成方法を説明するための図である。この方法で
は、まず、第１の光ファイバ１０と第２の光ファイバ１
１のそれぞれの端面を突き合わせ、図３に示すように２
本の電極１６間に設置し、アーク放電によって融着接続
を行なう。

【００３２】次に、図４に示すように融着接続部分を酸
水素バーナ１７で加熱しつつ、バーナ１７をトラバース
して融着接続部近傍を加熱し、コアとクラッド間の屈折
率差を維持しているドーパントを拡散させ、コアとクラ
ッドの境界を無くす。

【００３３】この際の加熱時間は、接続部分の損失をモ
ニターして、接続部分の損失が最も低くなる程度とされ
る。この加熱処理を行なうことによって図１に示す融着
接続構造が形成される。

【００３４】図５は、図２に示した融着接続構造の形成
方法を説明するための図である。この方法では、先の形
成方法と同様に第１，第２の光ファイバ１０，１１を融
着接続し、この後図５に示すように酸水素バーナ１７で
加熱しつつ、引っ張り力を加え、加熱した接続部分を延
伸しファイバ径を細めた延伸部分１５を形成する。

【００３５】この延伸部分の延伸量は、接続部分の損失
をモニターして、接続部分の損失が最も低くなる程度と
される。この延伸処理を行なうことによって図２に示す
融着接続構造が形成される。

【００３６】（実験例１） 実験例１では、表１に示す構造パラメータを有するファ
イバ■およびファイバ■を用意した。

【００３７】

【表１】

【００３８】これらの２本のファイバを図４に示すよう
に通常の操作により融着接続をした後、融着接続部を加
熱した。この加熱はアークではなく図５に示すように酸
水素バーナ（水素量約８０ｃｃ／分、酸素量約４０ｃｃ
／分）で行なった。加熱温度は約１６００℃、加熱時間
は１３０秒であった。ファイバ■の両端にそれぞれファ
イバ■を融着接続し、ドーパント拡散のための加熱処理
を行なった。加熱中の接続損失の変化をモニターした結
果を図６に示す。

【００３９】この図からわかるように、加熱の初期段階
では、接続損失が低減するどころか、むしろ増加傾向を
示すこともある。これはファイバ■とファイバ■では、
コアのドーパントの広がりが異なることと、さらに、ド
ーパントの拡散によりコアが実効的に大きくなっても、
モードフィールド径の変化は必ずしもコア径の変化に追
従しないため、十分な拡散が行なわれるまでは、モード
フィールド径のミスマッチは逆に増大したためと考えら
れる。しかしドーパントが広く拡散して、どちらのファ
イバにおいても、もはや、コアに光がトラップされてい
るとはいえない状態に達すると、接続点近傍でのファイ
バはいわゆるエアークラッドファイバ状態となり、２本
のファイバのモードフィールド径のミスマッチは実質的
に零となる。この結果、接続部の損失は、当初、２箇所
合わせて３．８ｄＢあったのが、ドーパントの拡散を行
なうことにより０．３ｄＢに減少した。

【００４０】ここで注意すべき点は、融着接続部の加熱
をあまり狭い領域で行なうと融着接続部を挟んで、ファ
イバ軸方向のモードの形状変化があまりに急激となり、
融着接続部でエアークラッドファイバのより高次のモー
ドにモード変換が行なわれ損失が生じてしまうので、融
着接続部を挟んである程度広い範囲で加熱する必要があ
る。この目安としては、外径５〜６ｍｍ以上の長さにわ
たって加熱するとよい結果が得られる。

【００４１】また融着接続部の近傍は、エアークラッド
ファイバ状態を維持することが必要であるので、図７に
示すようにファイバを両端で支えるような補強器が必要
である。この例では内径２ｍｍφ、外径４ｍｍφの石英
ガラス製パイプ１８内にファイバ１０，１１の融着接続
部分１２を収容し、それぞれのファイバ１０，１１の被
覆１９とパイプ１８とを接着剤などの封止剤２０で接着
固定するとともにパイプ１８内に空気２１を封止した。

【００４２】（実験例２） この実験例では、表１とほぼ同じ構造パラメータを有す
るファイバ■，■を準備した。先の実験例と同様に通常
の操作によって融着接続した後、融着接続部を加熱しな
がらファイバを長さ方向に引っ張って延伸し、ファイバ
外径が１２５μｍから３２μｍに減少させた。先の実験
例と同様にファイバ■の両側にそれぞれファイバ■を接
続し、この２箇所の融着接続部に対し上記延伸操作を加
えた。

【００４３】その結果、接続部の損失は、当初２箇所合
わせて３．５ｄＢあったが、延伸操作後の損失は０．２
５ｄＢに減少した。

【００４４】この例では先の実験例１と異なり融着接続
部の加熱時間が短いので（約１０秒）、融着延伸部での
ドーパントの拡散は少ないと考えられ、モードの形状を
クラッド・空気の境界まで広げるのは、延伸に伴うコア
径の減少によっている。コア径は延伸操作により約１／
４になっており、このため接続部近傍のＶ値は０．５程
度に低下している。この値では、もはや光はコアにトラ
ップされているとは言い難く、クラッド・空気の近傍ま
で広がっていると考えられる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
モードフィールド径の異なる実質的に単一モード伝送を
目的とする２本のファイバの接続損失を大きく低減する
方法を提供することができ、またモードフィールド径を
実質的に極限まで広げてしまう点で、細かな制御が要ら
ないため、非常に簡便でかつ接続損失の低減効果に優れ
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる融着接続構造の一実施例を示す
要部側面図である。

【図２】本発明に係わる融着接続構造の他の実施例を示
す要部側面図である。

【図３】本発明に係わる融着接続方法を説明するための
図で、２本のファイバの融着接続工程を示す要部側面図
である。

【図４】本発明に係わる融着接続方法を説明するための
図で、融着接続部部分を加熱してドーパントを拡散させ
る工程を示す要部側面図である。

【図５】本発明に係わる融着接続方法を説明するための
図で、融着接続部分を延伸する工程を示す要部側面図で
ある。

【図６】本発明に係わる実験例での結果を示し、融着接
続部分の加熱時間と接続損失との関係を示すグラフであ
る。

【図７】同実験例で作製した融着接続構造の側面断面図
である。

【図８】本発明の融着接続構造を適用させるのに好適な
光増幅器を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１０，１１　　　　光ファイバ １２　　　　融着接続部分 １３，１４　　　　コア １５　　　　延伸部分

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　２本の光ファイバの各端面を突き合わ
   せ融着した融着接続構造において、融着接続部近傍での
   モードの伝搬状態を、クラッドを含むファイバ全体がコ
   アとなり、その周囲の空気がクラッドとなるように形成
   したことを特徴とする光ファイバの融着接続構造。
2. 【請求項２】　　２本の光ファイバのうちの一方は、モ
   ードフィールド径が他方の光ファイバよりも小さく、そ
   のコアには希土類を含むものであることを特徴とする請
   求項１記載の光ファイバの融着接続構造。
3. 【請求項３】　　２本の光ファイバを融着接続した後、
   融着接続部近傍を加熱して、光ファイバのコアとクラッ
   ド間の屈折率差を維持しているドーパントを拡散させ、
   実質的にコアとしての導波能力を消失させ、融着接続部
   近傍でのモードの伝搬状態を、クラッドを含むファイバ
   全体をコアとし周囲の空気をクラッドとすることを特徴
   とする光ファイバの融着接続方法。
4. 【請求項４】　　２本の光ファイバを融着接続した後、
   融着接続部近傍を加熱しながら光ファイバを長手方向に
   引っ張り、融着部の径を細めると同時にコア径を細め、
   実質的にコアとしての導波能力を消失させ、融着接続部
   近傍でのモードの伝搬状態を、クラッドを含むファイバ
   全体をコアとし周囲の空気をクラッドとすることを特徴
   とする光ファイバの融着接続方法。