JPH05508484A - 光ファイバ結合器 - Google Patents

光ファイバ結合器

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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】 光フアイバ結合器 本発明は光フアイバ結合器に関する。
高性能の光学ネットワークの出現により、低損失の結合アレイへの必要性が徐々 に重要になってきている。1×NおよびMXNの両便宜は重要であり、基本的な IX2または2×2結合器の連結によって随意に大きく形成されることができる ネットワーク構造に依存している。これらのような結合器は例えばブレーナ技術 または融着ファイバ技術を使用する多数の異なる方法によって製造されることが できる。これらの両方法は制限を有している。ブレーナ装置は寸法が非常に小さ いが、標準的なシステムファイバ上にピグテール接続されたとき反射および比較 的高い損失を被る可能性が高い。融着されたファイバ装置はシステムファイバか ら直接的に製造されることが可能であり、したがって反射および結合損失の問題 を克服するが、しかし大きいアレイを形成するためにこれらの装置を連結するこ とは最新の遠隔通信ネットワークにおいて貴重である著しい空間を必要とする。
融着されたファイバ技術の使用は、3×3.4×4およびIX7結合器のような 多数の入力/出力ボートを備えたモノリシック装置の発達により最新の遠隔通信 ネ・ノドワークにおいて近年魅力のあるものにされている。例えば、Mo目im oreD、8氏による文献(’Monolithic 4X4 single− mode 1used couplet’ 、 H<cjrooies Let ters 25.10. 682乃至683頁、1989年)およびMorji more D、8氏およびArkvtHeJ、W氏による文献(”MonalH hic wueleBth fla目enedI X 7 single−mo de fused coupler” 、Heclronics Lejter s 25.9 、 606乃至607頁、 1989年)を参照されたい。これ らの装置は少数のポートしか持たない基本的な結合器から形成されたアレイ上の 空間における著しい節約を行わせる。
本発明の第1の観点によると、光フアイバ結合器を形成する方法は、中心ファイ バおよび6本の外側ファイバを有する緊密にバックされた六角形アレイに7本の 光ファイバのファイバ束を形成し、 7本の各ファイバにおいて光パワー出力を供給するために外側ファイバの1つに 光源を結合し、 ファイバ束から融着されたテーパーを持つ結合器を形成し、7本のファイバから の最小の先パワー出力が最初に最大化されたときテーパー形成が停止されるステ ップを含む。
本発明者は、そのようにしてデーバーを有するファイバスター結合器に形成され た場合にこのようなファイバ束は入力外側ファイバと7本のファイバとの間の挿 入損失の直線的な分布が装置に対してほぼ最小であり、有効な低い挿入損失を提 供する結合器を提供し、6×7スタ一結合器か通常の融着ファイバ装置の特徴、 すなわち低いスプライス損失、製造の容易さ、良好な温度安定性および堅牢さを 有していることを認めている。
ファイバ束は毛細管内に貫通され、融着されたテーパーを有する結合器を形成す る前にねじられていることが好ましく、ねじれは結合器形成の堅牢性を増加する 傾向がある。
ファイバから出力された最小の光パワーは、7本の各ファイバからのパワー出力 を監視することによって決定されることが好ましい。しかしながら、結合器を形 成するために使用されたファイバ形成技術および装置が十分に反復可能にされた 場合、少数の出力パワーを監視することでテーパー形成が停止する時を決定する のに十分な情報を提供する。例えば、光源に結合された外側ファイバに関して対 称的に配置された任意の光ファイバの1つだけが最小の出力パワーが最大にされ る時を決定するために監視される必要があることが認められる。
一般に、本発明による方法によって形成される結合器はまた満足できるIX7結 合器ではない。すなわち、中心ファイバに結合された光源から結合器の7本のフ ァイバまでの光パワーの等しい分割は存在しない。結果として、それは一般的に 満足できる7×7スタ一結合器ではない。このような7本のファイバのアレイに 対して、中心ファイバから7本のファイバまでの等しい結合の点は、例えばテー パーが6×7結合器を得る前に生じる。
以下詳細に説明されるように、融着の程度は本発明による結合器の結合特性に影 響を与える。1×7結合器を形成するために必要とされるテーパーの程度は融着 の程度を増加することによって高められる。6×7結合器の挿入損失の分布はゼ ロ融着より悪いかも知れないが、これは満足できる6×7結合器を得るために必 要なテーパーの程度に向かって1×7結合器を得るために必要なテーパーの程度 を移動する。
したがって、第1の観点による結合器は、任意の入力と任意の出力との間の装置 を通る最大挿入損失が最小化されるように十分に融着されたものである。
融着の程度を制御するための好ましい方法は、融着されたテーパーを有する結合 器の形成中にファイバに与えられた予め定められた張力プロフィールを得るよう に融着の温度を制御することによる。
本発明による光結合器を形成する方法およびこのような結合器の動作の理論は添 付された図面を参照して例示により説明する。
図1は本発明による結合器の理論上の解析のためのモデルとして機能する7本の ファイバの六角形の緊密に7で・ンクされたアレイの概略図であり、 図2は軸を外れたファイバ照明の場合に対して7本のファイバアレイを通って伝 播する理論的パワーのグラフであり、図3は本発明による結合器の形成前のファ イバ束の概略的な断面図であり、 “図4は本発明の方法による結合器の形成中の包囲する毛細管との相互作用によ る外側ファイバの歪みの概略図であり、図5および図6は2つの異なる程度の融 着のための軸を外れた照明の場合に対する7本のファイバアレイを通って伝播す る理論的パワーのグラフであり、 図7は中心ファイバ照明の場合に対する7本のファイバアレイを通って伝播する 理論的パワーのグラフであり、図8aおよび図8bは中心ファイバ照明および軸 を外れた照明のそれぞれに対して1300++mで最適化された装置に対する理 論的波長応答特性のグラフであり、 図9aおよび図9bは中心ファイバ照明および軸を外れた照明のそれぞれに対し て1530nmで最適化された装置(こ対する理論的波長応答特性のグラフであ り、 図10aおよび図10bは中心ファイバ照明および軸を外れた照明のそれぞれに 対してJ3QOu+で動作するように製造された装置の波長応答特性のグラフで あり、 図11は本発明による結合器を形成するのに適切な融着装置の概略図である。
N個の平行な弱く結合された光ファイバの任意のアレイ間のモード結合は5n7 dcr 、 A、 W氏およびLove 、J、 D。
氏の文献(”0pltcal Waveguide Theot7’ Cbxp man and Ba1l。
1983年、542頁)による1組の良く知られている結合された微分方程式に よって表されることができる。
ここで、aはファイバn中のZ依存性のモダール振幅であり、β はファイバn 中のモードの伝播定数であり、Cはn mn ファイバmとnとの間の結合係数である。
a−Ae Jllg (2) を置換することによって電磁界の速い振動は除去されることができる。さらに別 の置換: の1組の結合された方程式を与えるZ依存性を除去する。
これらの方程式に対する重要な解を発見するために、得られた特性の方程式は解 かれて、固有値λ、したがってベクトルB を提供する。
一度固有値およびベクトルが発見されると、アレイを通って伝播するモダールフ ィールドA は固有ベクトルの直線的与えられる。
アレイにおける各ファイバ中を伝播するパワーは関係式;%式%(61 から発見されることができる。
図1を参照すると、ファイバfoはファイバの六角形の緊密にパックされたアレ イ中のファイバf 乃至f6によって包囲され、ここで外側リングβ 中のファ イバの伝播定数は「 側リング中の隣接したファイバ間の結合を示した4if、uが寺しいと仮定する と、このようなアレイに対する式(1)は簡単化される。特定の入力状態を考慮 することによって、方程式はさらに簡単化されることができる。この解析のため に、ファイバアレイの特性は2つの入力状態:中心ファイバtoの単位照明のも のおよび単一の軸を外れたファイバ、例えばファイバfxの単位照明のものを考 慮することによって完全に定められることかできる。
中心ファイバfoの照明に対して、全ての外側ファイバ(全体的にf で示され 、ここでr=1乃至6である)は同【 −の結合特性を有し、方程式(1)は:に簡単化される。
ここで符号rは構造の外側リング中のファイバを示し、Cは特性結合定数である 。
式(7)への式(2)および(3)の置換は:の形態で特性式を提供するBoお よびB、で2つの結合された式を提供する。
展開された2次方程式を解くことは2つの固有値:λ、ML士人 を提供し、ここで、 であり、対応した固有ベクトルは、 と書かれることができる。
式(5)からファイバアレイを通って2方向に伝播するフによって与えられ、式 (6)から中心および外側ファイバ中P、(z)−1−6F、(z) によって与えられる。
軸を外れた照明に対して、方程式(7)はa2−a6およびa 3 ”” a  5を設定することによってアレイの対称性のために簡単化されることが可能であ り、ここで下付は符号は図1に示されたアレイの対応したファイバf、を示す。
以下、上本 記に詳細に示されたような同じステップはの形態の特性方程式になる。ここから 固有値およびベクトル、モーダル振幅および各ファイバ中を伝播するパワーが計 算されることができる。
中心および外側ファイバの伝播定数が等しい場合、例えば同じファイバのアレイ を考慮する。ファイバf1の軸を外れた照明のためのアレイを通って伝播するパ ワーは図2に示されている。パワーは結合係数Cに関する相互作用長の依存性を 取除くためにに、zに対して示されている。POは中心ファイバを通って伝播す るパワーであり、PI、P2.P3およびP4は外側ファイバを通って伝播する パワーであり、ここにおいてP 5−P 3 、 P 6−P 2である。
本発明の第1の観点による結合器を形成する方法は、7本の出力ファイバ中の最 小の光パワーが形成中の特定の融着の程度に対して最初に最大にされるまで結合 器を引伸すことである。この融着量は特定の融着の程度がテーパー後に得られる 実際の挿入損失に影響を与えるが、ある程度随意である。
このような6×7結合器の軸を外れた照明に対して、γ−〇に対して5.9%の 理論的最小分布が、またこの結合器に対してに、z−2,2が発生する。
効果的な相互作用長における拡張は、構造の融着の程度を変化することによって 純粋のシリカに関して少し低くされた屈折率を有するガラスの毛細管中に挿入さ れた7本のファイバからなる装置に対して達成できることが示されている。
(Marjimore、 D、B、氏およびArkwrife 、J、 W、氏 による”Performaoc!1uniB of wayelengjh−f lattened I X7 fus!d couplcrs ’ 、 OF  C1990年)構造が製造プロセス中に融着すると、毛細管の効果は倍加される 。最初に、管の接近が外側ファイバの伝播定数において小さい増加を発生させ、 次にアレイとの毛細管の相互作用が外側ファイバを円形から歪ませる。これは、 図4に示されているように外側ファイバ24が隣接したファイバ(示されていな い)との相互作用のために部分26.28および30で平坦にされた断面および 歪められた毛細管に隣接した部分を有している。これは外側ファイバの伝播定数 を減少する傾向がある。
組合せられた効果は、製造中に得られた構造の融着の程度に応じて中心および外 側ファイバの伝播定数の間に不整合が生成されることを可能にする。外側ファイ バの伝播定数が中心ファイバに関して変化すると、中心ファイバから結合された 最大パワーが変化する。構造の融着の程度を数量化するために、ディメンション のないパラメータγ−Bo−B、/2Cが導入され、ここでγ−0は等しい伝播 定数の場合に対応し、γ−1は中心ファイバ照明の場合に対して中心および外側 ファイバ間に合計パワー伝送を与えるのに必要とされる融着の程度に対応する。
装置の融着の程度を変化することはまた軸を外れた照明のために結合されたパワ ーの分布に影響を与える。既に参照された図2は、γ=0に対するに、zの関数 として上記のモデルから計算された結合パワーを示す。図5および図6は、それ ぞれδ−0,44および1に対して計算された結合パワーを示す。
図7を参照すると、図1のファイバアレイの中心ファイバ照明に対して中心ファ イバf を通って伝播するパワーP。
および単一の外側ファイバを通って伝播するパワーP が示されている。実線は γ−0に対応し、破線はγ=1に対応する。点Aはγ−1の値に対して相互作用 長における効果的な拡張を示す。
したがって、δ〉0に対して等しい結合は各サイクルごとに2つの異なる点で発 生することができる。第2の等しい結合点で動作するように選択することによっ て、1×7装置に対する効果的な相互作用長は図7の破線の曲線上の点Aに向か って延在されることができる。
図2および図7の比較から、この場合軸を外れた照明のために外側ファイバに対 して最も低い最大挿入損失を生成するために必要な相互作用長は、γ−0ならば 中心ファイバと外側ファイバとの間の等しい結合に必要なものより大きいことが 認められる。完全な7×7構造が満足できるように使用可能な装置を生成するた めに、6×7結合器が軸を外れた照明に最適な分割を与えるために必要なゼロ融 着から結合器の形成中の融着の程度を増加することによって最適化される長さに 向かって中心ファイバ照明に外側ファイバに等しい結合を与えるために必要とさ れる相互作用長を延在することか必要である。上記の装置に対して、γ−0,4 4は7×7装置に低い“最悪の場合″の挿入損失を与える。この融着の程度にお いて、最も小さい挿入損失の点で各ファイバ上で伝送されるパP2−P4.−P 6=13.0% これは図5に示されている。
したがって、軸を外れた照明用の装置を通る最悪の場合の挿入損失は8.86d Bの値を有するファイバf2.f4およびf6上のパワーによって与えられる。
装置のレシプロ的性質のために、同じ条件の下で中心ファイバを照明することは 結果的に全ての外側ファイバが13゜2%伝送し、中心入力ファイバがパワーの 残りの21.0%を伝送するほぼ同じ結果を生じることが認められることができ る。したがって、全ての入力状態に対して全体的に最適な結果はγのこの値で達 成されることが可能であり、ここにおいて最適とは最も低い最大挿入損失を意味 する。
最適な7X7結合器を生成するのに最適な融着の程度は、選択された特定の材料 および装置製造に対する試行およびエラーによって決定されることができる。一 度決定された結合器は最大の挿入損失が最小に達する点で停止して形成されるし かしながら、広い観点における本発明は形成中適切である融着の程度に対して6 ×7結合器として最適化された結合器を提供する。
波長に関する結合係数の直線的な依存性を仮定することによって、装置の理論的 な波長応答特性は方程式(6)から認められることができる。相互作用長定数を 保持し、結合係数を変化することによって、1200nm乃至1600nmの範 囲にわたる装置の応答特性が認められる。図8aおよび図8bは、それぞれ中心 および軸を外れた照明に対して1300nmで最適化される7×7結合器に対す る理論的な波長応答特性を示す。図9aおよび図9bは中心ファイバ照明および 軸を外れた照明に対して1530nmで最適化された装置に対する理論上の波長 応答特性を示す。
図3を参照すると、7本の標準的な単一モードの124.7μmの外側直径のフ ァイバ20.21が洗浄され、純粋なシリカより少し小さい屈折率を有する緊密 に適合したシリカベースガラス毛細管22中に挿入することによって六角形の緊 密にパックされたアレイ中に制限されたそれらの1次被覆が剥がされ功的に機能 すると期待される。“V7cor”管材料は、屈折率が管材料中への光学フィー ルドの漏洩が最小にされるように4 シリカファイバクラッドより低いので選択 された。別の適切な材料の毛細管が使用されてもよい。ファイバおよび管の別の 寸法が使用されてもよいが、好ましくは楕円率が約1.0%5 以下でなければ ならない。
と 図11に示されたような標準方式の融着された結合器製造装置はテーパーを 持つ結合器を形成するために使用され、ファし イバ束は加熱され通常の方法で 引出された。
し 結合器は以下のように形成されたご約1メータの長さの7本は標準方式の屈 折率整合クラッドファイバの7本の長さはそれぞれ一端から約20cmのクラッ ドを除去された。これらは約30mm長のV 7cor毛細管22中に貫通され た。非常に清潔な状態および清潔な環境において、例えばエタノールのような溶 媒をしみ込ませられた布でファイバを反復的に拭きながらこれを実行することが 重要であることが認められている。
ファイバ20.21は順次各ファイバを通して光を照射することにより、またレ ンズによるファイバの可視的な検査から識別された。各ファイバ端部はアレイに おけるその位置に応じてタグを付けられた。その後、ファイバ端部は毛細管から 約36a+mの通常のクラッドファイバにスプライスされ、その距離は使用され ている特定の装置に依存する。
ファイバ束39および毛細管はマウント40および42にテープでとめられ、張 力融着装置のモータ駆動スライド44上の前者はファイバ保持クランプ46およ び48によって約751離されている。1つのスライドマウントはファイバの束 をねじるように回転された。スライドマウント間の各25mmに対して約1回転 が必要である。本発明者はこのねじれが結合器形成の堅牢性を大幅に改良するこ とを発見している。
結合器は毛細管を加熱しながらセラミックのるっぽ5oにおいてファイバ束を引 張ることによって形成された。1300nmで動作する半導体レーザは装置の外 側ファイバ上にスプライスされ、全ての出力は引出しプロセス中側々に監視され た。引張りプロセスは全ての出力挿入損失の最大のものが最初に最小値に達した ときに停止され、装置はるつぼに入れられた。
融着中の結合器の引き延し速度は、結合器形成の進行を監視するのに十分に遅い 1秒当り200μmの範囲に設定される。
調整は所望の張力のための温度を維持するためにゾーンを加熱する融着装置のヒ ータに対して張力センサ52がらのフィードバックにより結合器の引張り中に与 えられた張力を介して制御される。張力が高くなると、それだけ温度は低くなり 、したがって低い張力が予め設定された場合にはファイバの融着は少くなる。
この適用に示されたような十分に融着された結合器は、1゜■の延長に対して0 .3gmに直線的に減少し、停止点に到達するまで維持されるIgmの張力を有 する。軽く融着された結合器は3goの張力を有し、2gmまで直線的に減少し 、停止点が到達されるまで維持される。これらの張力は結果としてファイバの軟 化温度の近くの融着温度、この場合1600℃を生じさせる。
これらの値は異なる寸法のファイバに対して変化される必要がある。それらはま た特定の融着装置のるつぼ寸法等により変化するが、しかし試行およびエラーに よって容易に決定される。装置はパッケージする準備ができている。
のクラッドと同じまたは少し低い屈折率を有するように引出された場合には通常 のシリカが本発明による結合器の製造にび1つの外側入力の両者から全ての出力 への装置の波長応答特性が測定された。
装置を通る全ての可能な通路の1300nmで測定された挿入損中央入力ファイ バから得られた波長応答特性は対称性から考えられるように外側の出力ファイバ の全てに類似した応答特性を示し、パワーに対する高められた応答特性は中心フ ァイバ上に残っている。図10aにおいて、等しい結合点は1300IlrBの 近くに中心を有する。単一の軸を外れた入力ファイバからの波長応答特性は再度 13QOnmの近くに中心を存し、全てのファイバ上において低い波長感度を示 し、図10bにおいて=<]OdBの挿入損失が達成される約120 u+の許 容可能な動作領域を与える。実験的に得られた応答特性は式6から計算されたも のと十分に一致するように見える。図8aはファイバPl中に残っている先パワ ーの部分および1300nmにおける軸を外れた入射に対する残りのファイバ( P、、t≠1)を示五 す。図8bは!30hmにおける軸を外れた入射に対する中心ファイバ(P、) に残っている光パワーの部分および外側ファイバ(P )に結合された部分を示 す。図9aおよび図9bはそれぞれ図8aおよび図8bと同じ入射条件に対する 、しかし)520nmでの応答特性を示す。
示さねた装置は1300nmて最適な結果を提供するように製造されているが、 しかしながら図10aおよび図10bから中心ファイバ照明に対する波長応答特 性が動作波長に関して明らかに非対称的であることが認められることができる。
図10aおよび図10bに示された傾向は、減少している波長に対して中心およ び外側ファイバに結合されるパワーが集束し、一方長い波長に対して中心ファイ バ上のパワーが外側ファイバ上で特表千5−508484 (6) 伝送されたものから急峻に発散し始めることを示す。したがって、長い波長、例 えば1550amで動作するように選択することによって、中心ファイバ照明に 対する波長応答特性は低い波長で平坦にされた波長である有効な特性を有してい る。このような装置は窓!280nm乃至155hmにわたる、したがって標準 方式の通信用波長をカバーする中心ファイバ照明に対して減少された波長応答特 性を有している。
この明細書において、“光学的″という用語は光ファイバのような誘電性の光導 波体によって伝送されることができる可視領域の各端部の赤外線および紫外線領 域のそれらの部分を持つ可視領域として一般に知られている電磁スペクトルの部 分を示すように意図されている。
362合 補正書の翻訳文提出書(特許法第184条の8)要約名 7本の光ファイバの束が毛細管内において緊密にバックされた六角形アレイ中に 配置されてねじられている多ポート光フアイバ結合器を形成する方法である。光 源は外側ファイバに結合される。融着されたテーパーを有する結合器が形成され 、光パワー出力の最小のものが最初に最大にされたときに、テーパーが停止され る。これは6X7光ファイバ結合器を提供する。また、任意の入力と出力との間 の装置を通る最大挿入損失が最小にされるように形成中に十分に結合器を融着す ることによって形成された7×7光ファイバ結合器が開示されている。
used coupler’ 、Eleclr’onics Levers 2 5. 10. 682乃至6平成5年1月18日

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)中心ファイバおよび6本の外側ファイバを有する緊密にパックされた六角 形アレイの7本の光ファイバのファイバ束を形成し、 7本のファイバのそれぞれにおいて光パワー出力を供給するように外側ファイバ の1つに光源を結合し、ファイバ束から融着されたテーパーを有する結合器を形 成し、テーパーは7本のファイバからの光パワー出力の最小のものが最初に最大 にされたときに停止されるステップを含んでいる光ファイバ結合器の形成方法。
  2. (2)ファイバ束の部分は毛細管内に存在している請求項1および2のいずれか 1項記載の方法。
  3. (3)結合器は、任意の入力と任意の出力ファイバとの間の装置を通る最大挿入 損失が最小にされるように十分に融着される請求項2記載の光ファイバ結合器の 形成方法。
  4. (4)ファイバ束は融着されたテーパーを有する結合器を形成する前にねじられ る請求項1乃至3のいずれか1項記載の方法。
  5. (5)融着の程度は融着されたテーパーを有する結合器の形成中にファイバに与 えられる予め定められた張力プロフィールを得るために融着の温度を制御するこ とによって制御される請求項1乃至4のいずれか1項記載の方法。
  6. (6)7本のファイバの全てによって出力された光パワーは光パワー出力の最小 のものが最初に最大にされたときを決定するように監視されている請求項1乃至 5のいずれか1項記載の方法。
  7. (7)光ファイバはシリカベースの光ファイバである請求項1乃至6のいずれか 1項記載の方法。
  8. (8)光源は1500nmより大きい波長で光パワーを供給する請求項7記載の 方法。
  9. (9)テーパーは、7本のファイバに外側ファイバから分割された光パワーの最 小値が最大であるようなものである融着されたテーパーを有する中心ファイバと 6本の外側ファイバを有する結合器を含む光ファイバ結合器。
  10. (10)中心ファイバと任意の外側ファイバとの間の挿入損失は外側ファイバか ら任意の別のファイバまでの最大挿入損失より大きくない請求項9記載の光ファ イバ結合器。
  11. (11)上記に示されているような光ファイバ結合器を形成する方法。
  12. (12)上記に示されているような光ファイバ結合器。
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