JPH0750209B2 - 単一モードファイバ方向性結合器の製造方法 - Google Patents

単一モードファイバ方向性結合器の製造方法

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JPH0750209B2
JPH0750209B2 JP59252780A JP25278084A JPH0750209B2 JP H0750209 B2 JPH0750209 B2 JP H0750209B2 JP 59252780 A JP59252780 A JP 59252780A JP 25278084 A JP25278084 A JP 25278084A JP H0750209 B2 JPH0750209 B2 JP H0750209B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は単一モードフアイバ方向性結合器の製造に関す
る。
従来の技術 方向性結合器では、１つの導波路内のエネルギ伝播に附
随するフイールドが２つの導波路間でエネルギ交換が起
こるよう隣接する導波路内のエネルギ伝播のフイールド
と重畳するよう配設されている。光導波路では光クラツ
ドの働きの１つは通常光フイールドと相互作用を行なつ
て余分な減衰を起こす可能性のあるものから光フイール
ドを隔離することである。光フアイバ方向性結合器を製
造する際には結合領域が得られるようクラツドのこの隔
離効果をある長さに亘り部分的に抑圧する必要がある。
文献にはこれを行なう方法の一つとしてエツチング及び
／又は研摩によりクラツドの一部を物理的に除去するこ
とが記載されている。また文献には別の方法としてオプ
チカルコアの径を減少させるよう延伸工程にかけること
が記載されている。この減少により光フイールドは拡大
するのでエネルギの相当の部分がクラツドの境界を越え
るようにすることができる。これに関連してコア径を減
少するのに必要な延伸工程の副次的効果によりクラツド
の厚さも減少する。単一モード光フアイバ方向性結合器
をこの延伸法により製造することは、オプチクスレター
ス（Optics Letters）第６巻７号327〜８頁（1981年７
月）所収のB.S.カワサキ他による論文「双円錐テーパー
単一モードフアイバ結合器」に記載されている。著者に
よればこの製造方法は、アプライドオプチクス（Applie
d Optics）第16巻７号1794〜５頁（1977年７月）所収の
B.S.カワサキ及びK.O.ヒルによる論文「マルチモード光
フアイバ網用低損失アクセス結合器」に記載されている
方法と略同一である。この方法は、２つのフアイバを並
列して互いに接するように捩り、フアイバをバネ張力を
かけつつ治具に取付け、次いで全長約1cmのツインバイ
コニカルテーパが形成されるようバネがフアイバの軟化
部分を伸長させるようマイクロトーチの炎を用いてフア
イバを軟化溶融することからなる。
発明が解決しようとする問題点 この方法を用いて単一モードフアイバ方向性結合器を製
造することを試みたところ、バイコニカルテーパの微小
な部分の寸法形状が方向性結合器の結合特性結果の決定
に大きく影響するため商業規模の製造には適さないこと
がわかつた。
本発明は上記の方法よりも制御が容易でありより長い結
合部が得られるフアイバ方向性結合器を製造する延伸方
法に関する。結合部手段の長さが伸びるのでその断面積
は対応して増加する。これは光がより強く案内されるた
め周囲からの負荷の影響に対しより信頼しうるものとな
る。また周囲からの応力の効果は短い部分にそれほど集
中しなくなる。
問題点を解決するための手段 本発明によれば、互いに接触するよう並列して保持され
た複数の単一モードガラス光フアイバはフアイバ間に所
要の光結合強度が得られるよう複数の漸進的伸長工程に
かけられ、各工程ではある限定された部分内のフアイバ
領域がフアイバを伸長させる塑性流がこの部分内で生ず
るよう充分熱硬化するようにする加熱源に対し軸方向に
動かされつつフアイバが制御された速さで軸方向に伸長
される単一モードフアイバ方向性結合器の製造方法が提
供される。
本発明によれば並列して接触する１対のフアイバは僅か
に異なる速度で駆動される１対のキヤリツジの間で伸長
されつつ炎中を長手方向縦動させられる連続的な延伸工
程にかけられる単一モード光フアイバ方向性結合器の製
造方法が提供される。
作用 次に本発明による方向性結合器の製造方法の好ましい例
につき説明するが、その前に比較のため本発明の移動に
関する特徴を使用しない場合に得られる典型的な結果に
ついて説明する。以下、かかる方法を「静止炎法」とい
う。
光フアイバの基本案内モードの光フイールドの閉込めは
次の式によりフアイバのＶ値に関係する。
λｖ＝2a（▲ｎ2 1▼−▲ｎ2 2▼）1/2 ここでａはコアの半径,n1及びn2はそれぞれコア及びク
ラツドの屈折率である。この式からある長さの光フアイ
バが延伸工程にかけられ径が小さくなるとＶ値は減少す
ることが明らかである。かかるＶ値の減少に伴い基本モ
ード半径（パワー全体の１−e-2を包含する半径）は増
大する。第１図には、1.3ミクロンで動作するよう設計
された典型的な単一モードフアイバについてのこれらの
効果を示してある。このフアイバのコア径は９ミクロン
でありクラツド径は125ミクロンである。波長1.3ミクロ
ンで動作する場合にはコア及びクラツドの屈折率はそれ
ぞれ1.480及び1.447であり、従ってこのフアイバのＶ値
は2.1乃至2.2である。第１図からわかる如く、フアイバ
の径が初めの約半分に引下げられ（径の引下げ比２）Ｖ
値が約１に減少するまではパワーはそれほど拡がらな
い。しかし、やはり第１図からわかる如く引下げ比が2.
5に達するまでには基本モード半径は非常に急速に増加
し続け、減少しつつあるクラツド半径を越えるようにす
る。一度この状態に達すると引下げ比の非常に僅かな変
化でも方向性結合器の２つのフアイバ間の結合に大きな
影響をおよぼす。第２図は静止炎を用い捩りフアイバ対
に対称にテーパを付けて方向性結合器を製造する際の結
合パワーの変化の記録を示すグラフである。この結合器
を製造する際フアイバの捩られた対は、バイコニカルな
テーパが得られるよう両端が定速度で離間されつつ固定
マイクロトーチの炎により局部的に加熱された。光が一
方のフアイバの一端から入射され、パワー出力を時間の
関数として記録するトレースが得られるようそのフアイ
バの他端が監視された。時刻t1で炎があてられその後延
伸工程が毎秒100乃至200ミクロンの伸長線速度で時刻t2
まで行なわれた。時間t2では出力が3.5dB近く低下し、
この時延伸は停止され炎は消された。予想された如く延
伸の初期の段階では実質上フアイバ間の結合は生じなか
つた。しかし一度結合が明白となると結合は少なくとも
3dBの点までは加速しつつ進行した。この段階でテーパ
付部は炎消火時に急速に冷却され損失はさらに1dB増加
した。結合器のこの製造方法は結合の開始が急速である
ため適当な終点で延伸工程を終了するよう制御するのが
困難である。波長マルチプレクサ及びデマルチプレクサ
の製造時にスペクトルの性質を決定するのに必要なより
強い結合係数を必要とする結合器が牽引されるにしたが
いこの制御上の問題点は悪化する。延伸工程での延伸速
度を単純に遅くするだけでは、熱軟化し細くなつたフア
イバが炎中に長くとどまるほどフアイバがたるんだり炎
により曲げられたりする危険性が大きくなるから問題は
それほど改善されない。この種の部分的な屈曲がある
と、そこのＶ値が低いことによる導波の弱さに起因する
容認しえないほど大きい損失が起こる。この問題に伴な
い、炎の除去及びつづいて結合を約1800℃から室温に冷
却する際発生する結合の大きな変化に起因する問題があ
る。
魚尾形の炎を用いて延伸される部分の長さを長くするこ
とで第１の問題点を減じようとする試みは略効果がな
い。これは魚尾形の炎の温度分布では可避的にフアイバ
が他の点より速く延伸される高温個所が１個又は複数個
できるためと考えられる。このためできる小径領域は大
径の領域より熱を伝導しにくいので暴走状態となり結合
はやはり大きく制限されて強い結合領域は短くなる。
実施例 第３図を参照するにプラスチツククラツドを完全に除去
した２本の単一モードガラス光フアイバ30,31は、フア
イバが固定的にクランプされる２つの独立に駆動される
ブロツク32と33との間の領域の少なくとも一部に亘り表
面が並列して接しつづけるよう互いに捩られる。クラン
プは、捩られたフアイバ対の軸が２つのブロツクの運動
方向に正確に一致するようになされる。２つのブロツク
の間にはフアイバ30,31を局部的に加熱する炎を有する
マイクロトーチ34が置かれる。このマイクロトーチは適
所に固定される。
フアイバの端部を保持するブロツク32,33は同一の方向
へただし異なる速度で駆動される。先行するブロツク
は、フアイバがマイクロトーチの炎内を通過するにつれ
徐々に伸びるよう移行するブロツクよりも常に僅かに速
く駆動される。この工程は光フアイバのプリフオームか
らの引出しに類似するが、フアイバ製造では線縮尺にし
て200程度の延伸が行なわれるのに対し、本発明のこの
例では線縮尺は約１％乃至数％以下であるのが望まし
い。そこで所望の結合量を得るには数回縦動を行なう必
要がある。ブロツクは典型的には毎分５乃至10mmの速度
で駆動される。約0.25％に達する良好な速度制御を行な
うには、軸エンコーダをフイードバツク中に含むデイジ
タル制御サーボモータにより各ブロツクを駆動するのが
好ましい。連続的に縦動を行なうには各縦動の終了時に
両方のモータの回転方向を逆転し同時に以前後行ブロツ
クであつたブロツクが先行ブロツクとして働くよう他方
のブロツクより速く駆動されるようにモータの相対的回
転速度を入れ換えるのが好ましい。連続する縦動は逆方
向に行なわれる。通常回転速度は、連続する縦動で延伸
速度が同一となるよう各縦動の最後に単に入れ換えられ
るが、少なくとも１回の延伸速度の変更が行なわれても
よい。これは、ある程度の結合が開始する以前の最初の
数回の縦動には比較的速い速度が使用され次いで工程の
停止時を正確に決定するより強い制御が可能となるよう
より低い速度が使用されて行なわれる。炎の点火はモー
タの始動に略同期する。同様に炎の消火はモータの停止
に略同期する。これに関連して低温のフアイバが耐えう
る弾性負荷では延伸速度は小さいからモータの始動は炎
の点火より僅かに先行するのが安全である。同様に炎の
消火はモータ停止に先行するのが安全である。
モータが逆転する度に炎が一時的に停留するため延伸形
状に僅かに望ましくないくびれが生じうる。この種の生
じうるくびれの光学的な影響は、初期の縦動を以後の縦
動より充分長く行ない初期の縦動の端部に生じフアイバ
間に有効な結合がない肩を充分に終了されることで減少
または解消される。（ただし、縦動は炎により各フアイ
バにスワンネツクが形成される危険性をなくすための２
本のフアイバが互いに接触している領域に限られねばな
らない。）延伸工程を監視する方法としては、開始前マ
イクロトーチの炎の平面上で出合うようポインタ35,36
を各ブロツク上に設置するのが便利である。第１図の縦
動が矢印37方向に行なわれるとすると縦動終了時には２
つのポインタの先端は離間しておりポインタ35はマイク
ロトーチの平面と交差する。２回目の縦動の際ポインタ
36の先端がマイクロトーチの平面に戻つた時には炎は第
１回縦動時に生じた小径部の端に達する。
典型的な単純な3dB結合器の製造の際初めブロツクは５
〜8cm離間しており、典型的には２〜5cm延伸させるよう
４乃至５回の縦動が行なわれる。多重利用結合器を製造
するにはフアイバ間の光結合がより強くなければならな
いから、通常より多数の縦動及びより大なる延伸が行な
われる。
製造工程は、フアイバの一方の一端に特定の波長の光を
入力し延伸が進むのに応じた各又は両方のフアイバの他
端からの光出力の変化を観測することで監視される。一
方のフアイバ（フアイバＡとする）の一端から入射され
た光は、初めのうちは第２のフアイバ（フアイバＢとす
る）へパワーがある程度にしろ移行するには結合が弱す
ぎるため略完全にフアイバＡの出力に出てくる。延伸が
進むに従い結合は強くなりフアイバＡからの出力は減少
し一方対応してフアイバＢからの出力は増加する。やが
てパワーの出力が２本のフアイバで等分される第４図の
3dB点40に達する。結合が更に過結合領域に入るまで進
むとフアイバＡからの出力は減少し、ついには点41で示
す如くパワーは完全にフアイバＢに移行する。結合が更
に進んでいくとより大なるパワーがフアイバＡの出力か
ら戻るようになり第２の3dB点42を通過後点43に示す如
くパワーはフアイバＡの出力のみから出てくるように
る。この後結合の進行が続くと、パワーの出力がフアイ
バＡからの出力とフアイバＢからの出力との間を振動し
つつ循環全体が繰りかえされる。
特定の構成の結合器の結合強度は、結合器の形状，結合
領域内のフアイバのＶ値及び結合領域の長さに依存す
る。Ｖ値はフアイバの形状，屈折率だけでなく波長にも
依存する。従つて材料分散の影響を無視すれば結合強度
は波長とともに増大すると考えられる。この波長依存性
は、適当な形状の装置により波長多重化光システム用の
装置を構成するのに使用される。第５図は、第３図を特
に参照して説明された方法により製造され1.33ミクロン
及び1.5ミクロンの信号のマルチプレキシング及びデマ
ルチプレキシングを行なうよう設計された結合器のスペ
クトル特性を示す。これらの特性を得るため白熱フイラ
メントからの光が格子モノクロメータへ入力され、一方
のフアイバの入力端がモノクロメータ出力の固定位置に
保持された。この光入射装置は所望のコアモードに伴つ
て望ましくないクラツドモードを必ず入射するのでクラ
ツドモード除去装置がフアイバの入力端と結合領域との
間に介装される。このような白熱イラメントとモノクロ
ームとの特定の構成により0.8ミクロン付近の短波長カ
ツトオフから1.8ミクロン付近の長波長カツトオフまで
に波長が亘る光源が得られる。トレース50は、光が実際
に入射されるフアイバの他端からの光出力を監視して得
られた。トレース51は結合器の他方のフアイバからの出
力を監視して得られた。第１の3dB点は約1.0ミクロン付
近の波長で生じる。ただし図は約1.2ミクロンに至るま
でカツトオフされない高次モードの影響により僅かに乱
れている。（縦つて、この結合器は過結合単一モードフ
アイバ結合器、つまり結合が強すぎて最初の3dB結合点
が高次モードカツトオフより短い波長で生じる結合器と
考えられる。）第２の3dB点は1.22ミクロン付近で生
じ、1.32ミクロン付近では第１のフアイバから他方のフ
アイバへのパワーの移行は略起こらない。図は1.34ミク
ロンにおいて、今度はモノクロメータ出力に生じたスプ
リアススパイクによりやや乱れている。波長約1.5ミク
ロンでは入射されたパワーは第１のフアイバから第２の
フアイバへ略完全に移行する。従つてこの装置は、1.32
ミクロンと1.55ミクロンの２つの波長で動作するシステ
ムにおけるマルチプレクサ又はデマルチプレクサとして
働く。スペクトルにおける第１の3dB点の位置及び第１
の3dB点と次の3dB点との間隔は、結合領域の形状及び長
さを変更することで変えられる。従つて第５図の結合器
で3dB点は略0.2ミクロン離間しているが、第６図に示す
スペクトル特性を有する別の結合器では約0.1ミクロン
離間する。
発明の効果 これらの結合器の製造において本発明の差動牽引法を使
用する利点は、テーパ付けの速度が非常に低くモータ速
度に対する制御の程度によつてのみ制限されるので終了
点に対する良好な制御が可能となることである。これに
関連して結合領域は、一様に牽引されたフアイバの相当
の長さに亘つている。このためマイクロトーチによる局
部的加熱を実行又は除去しても、任意の１時点で炎は結
合領域全体ではなくその小部分のみを加熱するので終末
における影響は相対的に小さい。また結合領域が長くさ
れると単位長さ当りの結合強度はより小となるので好ま
しい。部品フアイバのＶ値が大となるためにフアイバは
たわみ損失を起こしにくくなる。またアライメント不一
致による応力が集中しがちな構成中の微小くびれもでき
ない。これらの理由により、完成した容器の光学的性能
が機械的または熱的原因による応力に対し比較的影響さ
れにくいよう結合器のハウジングを設計するという問題
点が容易となる。
上述の説明は専ら光フアイバ対から形成される結合器に
関するが、本発明が２本より多くのフアイバから製造さ
れる結合器にも適用されるのは明らかである。従つて本
発明は1983年４月26〜28日にロンドンで行なわれた光フ
アイバセンサに関する第１回国際会議の議事録に出た
「（３×３）フアイバ方向性結合器を用いる受動性安定
化フアイバ干渉計の性能特性」中に説明された種類の利
用法を有する３フアイバ結合器に利用できる。
上述の如くフアイバを延伸領域全体に亘り並列して互い
に接触させねばならないのは、局部的な加熱によりスワ
ンネツクが確実に生じないようにするためである。上述
の結合器の例では所要の接触は部品フアイバをともに捩
るだけで得られたが、これ以外にもこの目的を達する方
法がある。別の方法としては、フアイバをある長さのガ
ラススリーブに通し次いでスリーブが軟化し表面張力効
果によりフアイバ周囲にコラプスするようマイクロトー
チの炎等の縦動熱源によりスリーブを局部的に加熱する
ことがある。
本発明の実施に必要な相対的運動を行なうのに局部的加
熱源が固定されていることは本質的ではない。しかし通
常固定熱源は、延伸装置の他の部材を駆動する装置が簡
単となるので好ましい。
【図面の簡単な説明】
第１図は径の引下げによつて得られるＶ値及び単一モー
ドフアイバの基本モード半径への効果を示す図、第２図
は静止炎と関連する平衡延伸工程を用いて双円錐結合器
を製造する際に得られる２つの単一モードフアイバ間の
パワー結合の変化を示す図、第３図は本発明を実施する
ための装置の概略図、第４図は２つのフアイバ間の結合
がフアイバ延伸の関数として如何に変化するかを示す
図、第５図及び第６図は本発明による方法で製造された
２つの結合器のスペクトル特性を示す図である。 30,31……光フアイバ、32,33……ブロツク、34……マイ
クロトーチ、35,36……ポインタ、40,42……3dB点。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン フイールデイング イギリス国 ハートフオードシヤー ソー ブリツジワース バーンサイド57番地 (72)発明者 ニコラス アンソニー ヘウイツシユ イギリス国 エセツクス ハーロー ポツ ター ストリート ブレントホール タワ ーズ 50番地 (56)参考文献 特開 昭57−186730（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−128904（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−193515（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−76807（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−169719（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−190521（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−60908（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4377403（ＵＳ，Ａ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】単一モードファイバ方向性結合器の製造方
    法であって： ａ）ファイバ同士が互いに並列に接触して保持される複
    数のファイバの接触範囲がクランプ間に設けられるよう
    に、複数の単一モードガラス光ファイバを該ファイバの
    接触範囲の軸方向に離間した２つのクランプで支持し、 ｂ）前記接触範囲を繰り返して連続する漸進的塑性流伸
    長工程にかけ、各伸長工程では該接触範囲が伸長される
    局部領域が熱源により設けられ、該接触範囲と該局部領
    域とが相対的に移動するように該熱源に対して該２つの
    クランプを相対的に移動し、且つ、前側クランプを後側
    クランプより速く移動することにより該接触範囲を制御
    された速さで軸方向に伸長し、該局部領域においてファ
    イバは該接触範囲の塑性流伸長がその中で生じるように
    熱源により十分熱軟化され； ｃ）所定の結合強度が得られたところで前記塑性流伸長
    の累積的連続動作を終結する； 各段階よりなる単一モードファイバ方向性結合器の製造
    方法。
  2. 【請求項２】段階ｃ）において、第１の3dB結合点が部
    品ファイバの高次モードカットオフより短い波長で生じ
    る時を所定の結合強度が得られたものとする特許請求の
    範囲第１項記載の単一モードファイバ方向性結合器の製
    造方法。
JP59252780A 1983-11-30 1984-11-29 単一モードファイバ方向性結合器の製造方法 Expired - Fee Related JPH0750209B2 (ja)

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