JPS59166921A - 光減衰器 - 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】 本発明は屈折率の変化により減衰度を変化させる光減衰
器に関する。

光ファイバの使用耽と用途が増加するにつれて、導電体
は外の′■気デバイスに対応する光学デバイスを開発す
ることがますます重要になって来た。

光ファイバによって伝達される光を減衰したり、結合し
たり、オン・オフするデバイスはすでに多数存在してい
る。１９７７年１２月発行のアプライド・オブｆイクス
誌（Ａ、ＰＰＬＩＥＤ　ＯＦ’ＴｌＣ３）　第１６巻第
２号３２２３ページに掲載されたリチャード拳ソｖ　７
　（Ｒ：　ｃｈａｒｄ　Ａ、、　５ｏｒｅｆ　）　　氏
とアーサーＯネルソ：ｙ　（Ａ、、　ｒｔｈｕｒ　Ｒ，
Ｎｅ１ｓｏｎ　）氏による［クロストークの低い複合光
交差点」といつ表頂の付された記事には、電気光学材料
の薄板の表面に電極パターンを形成してこの電気光学材
料内の光の伝達を制御することが記載されている。各電
極の下の小領域内の電気光学材料の屈折率は電極相互間
に印加される数百ボルト程度の電圧によって非常にわず
か（Ｑ、ＯＯ１程度）変えら２する。互いに平行な電極
の各対を利用して、電気光学材料内の光通路の壁として
働く屈折率の互いに異なる平行な領域を作る。真一つす
ぐな主チャネルが小さな角度で副チャネルとＸ字状まｔ
こはＹ字状の接合点を形成する様に、これらの電極が設
けられている。この副チャネルの入口のＨの短かい電極
によって、主チャネルから副チャネルに光が送られたり
、送らなかったりする制御がなされる。ところが、チャ
ネルの壁の屈折率とチャネル内の屈折率の差が極めて小
さいため、チャネルの開口数は極めて小さくなってしま
う。従って、このようなスイッチに開口数がこれより大
きい光ファイバを接続しようとすると、この光ファイバ
から出る光を電気光学材料の薄い層に入れる前にこの光
をほぼ平行光線にするレンズを設けなげればならない。

偏向角が小さいことによって、スイッチや結合器の最小
の長さは６ＣＩＩＬ８度になる。

１９７９　年５月発行のオブティクス・レターズ誌（Ｏ
Ｐ　’ｒ　Ｉ　Ｃ８ｔ、ｇ’ｒ’ｒ　Ｆ２　Ｒ８）　第
４　巻Ｋ　５　号１５５　ページに閤載されたリチャー
ド・ソレフ（ＲｉｃｈａｒｄＡ、、　５ｏｒｅｆ　）氏
による「液晶光ファイバ・スイッチ」という表項の記事
に示されている別の種類のスイッチにおいては、液晶層
は液晶の正常屈折率と異常屈折率の間の１直の屈折率を
有するガラスによって囲まれている。４本の光ファイバ
の各々をレンズを通してこのガラスに接続し、ガラス内
に互いに交差する１対の光路を形成している。液晶の層
は、互いに交差する光路の間の角度を三等分する方向に
沿一つで交差点を横切るように配置されている。ガラス
の屈折率の直は液晶の正滋屈折率と異常屈折率の間にあ
る。液晶は、′電圧が印加されないとき両方の偏光面の
光について正常屈折率を示し、両方の光路の全部の光が
ガラスと液晶の境界で全白反射されるように作られてい
る。電圧を液晶に印加すると、入射平面内の偏光は異常
屈折率を示すと共に、いずれかの光路においではその光
は液晶層を通過するので光は一方の光路からもう一方の
光路に切替えられる。

１９７１年１０月１２日ｆ寸けでジャン・アクレクｇン
ダー’７ジユクー７７　（Ｊａｎ　４１ｅｋｓａｎｄｅ
ｒＲａｊｃｈｍａｎ　）氏に付与され、「液体状態と気
体状態を有するディジタル光偏向器」という表鴎を付さ
れた米国特許第３，６１２，６５３号に示されているデ
ィジタル光（扁向器においては、液体と接触している透
明な基板は表面に抵抗器を有している。この抵抗器に電
流を流してこの基板に隣接する液体に薄い気体領域を形
成するようになっている。気体がないときは、入射光が
基板と液体の間の境界を通過するが、気相が存在すると
、入射光はこの境界で反射される。従・つてこの構造は
、単極単投電気スイッチに相当する光学デバイスとして
機能する。

１９８２年１０月１日に発行されたアプライド・オブテ
イ字りスｕ　（ＡＰ　Ｐ　Ｌ　Ｉ　ＥＤ　ＯＰ　”ｉ：
　Ｉ　Ｃ８）　ｉＥ　２１巻第１９号３４６１ページに
喝載された、ハルナ（Ｍ。

Ｈａｒｕｎａ　）氏とコヤ７　（Ｊ　、　Ｋｏｙａｍａ
　）氏による「ガラス内の熱光学偏向とスイッチング−
１という表頂の記事に示されているさらに別の種類のス
イッチにおいては、誘電体材料の板のヒの薄い条片が光
導波チャネルとなるようにドープ（ｄｏｐｅ）されてい
る。この光導波チャネル内には小さな空隙が形成され、
そして空隙内の誘゛覗体材料を加熱するために付勢可能
な抵抗器をこの空隙−ヒに配置している。・この抵抗器
を付勢すると、空隙内（５（温度こう配が生じ、それに
関連して空隙領域内の誘電体材料の屈折率にもこう配が
生ずる。この誘電体材料の屈折率こう配により、光導波
チャネル内の光は空隙を［黄切って後続のチャネルに達
するように導ひかれる。従ってこの構造は光スチツチと
して動作させることができる。

前記のいずれのスイッチにおいても、光を別の光ファイ
バに結合する前に、入力側の光ファイバからの入射光を
スイッチングの起こる何らかの別の媒体に結合する必ば
かある。これらのスイッチの大部分においては、光を別
の媒体との間で送受するｔこめに光を平行ドしたり集束
したりするレンズが必要であるっこれら余分な部品はど
れもスイッチの大きさ、コスト、挿入損を増大させる。

従って、そのような余分な部品を必要とせず、しかも光
をある光ファイバから別の光コアイノぐにもつと直接的
に結合するスイッチを得ることは有益である。

本発明の実施例によれば、光減衰器、光結合器および光
スィッチに使用するのに適当な熱光学構造が提供される
。一般に、光コアイノくは光を伝搬するコアを含むっ光
の粒子性と波動性という二重の性格のｔこめ、光ファイ
バのコアに沼った光の伝搬は波動理論と粒子理論によっ
て分析することができる。波動理論によると、光コアイ
ノ（は誘電体導波路とみなされる。一方、粒子理論によ
ると、コアの側壁は光ファイバに溢って伝搬する光を操
り返し反射することによって光を全反射または部分反射
するものとみな“される。

一般に、光が２つの媒質の間の境界に入射すると、光の
一部が境界から反射され、残りの光が境界を越えて伝達
されろ。しかし、境界での光の入射角がその境界の反射
の臨界角より大きくなると、入射光はすべて反射される
。スネルの法則によると、臨界角は二つの媒質の屈折率
の比の逆正弦に等しい。臨界角は、光が入射する媒質の
屈折率が光を境界に送り出す媒質の屈折率より小さいと
きだけ実数である。従って光ファイバのコアは通魔コア
よりも小さい屈折率を有する物質で包まれ、これにより
光ファイバの側壁での入射角が臨界角より大きい光につ
いては側壁での反射を繰り返しながら光フアイバ中を伝
達されるようにしている。

光ファイバから漏れる光景が制御できるようにするｔこ
め、コアと被ｉｆｆ物質との屈折率の比を光フアイバ上
の１つあるいは複数のセクションで制御する減衰器が４
えらｎる。この比の端を小さくすると、光フアイバ中で
、最初の臨界角より大きな入射角を有する光線の一部は
、新しい臨界角に対してはより小さな入射角しか有しな
い様になるため、この一部の光線は光ファイバから漏れ
る。その結果、光フアイバ内を伝達される光が減衰され
る。この比が１に近づくにつれて臨界角は９０度に近づ
（ので、コアの屈折率がこれを被囁する物質の屈折率に
等しいか小さくなると、光のほとんど全部が漏れ、完全
Ｉｆ減衰がなさ扛る。従ってこの光減衰器はオンオフ・
スイッチとしても動作することができる。

この光減衰器においては、コアとこれを被覆する物質と
の屈折率の比は、被覆物質とコアの屈折率の一方または
両方を変えることによって制御することができる。同様
にして、光結合器におけるこれらのパラメータを変える
ことにより、２本の光ファイバの各セクションを接続す
る媒体やこの光フアイバセクションの屈折率を制御する
ことができる。リチャードーファインマ丼（Ｒｉｃｈａ
ｒｄＰ、　Ｆｅｙｎｍａｎ　）著、「ファインマン物理
学講義」（”　Ｔｈｅ　Ｆｅｙｎｍａｎ　Ｌｅｃｔｕｒ
ｅｓ　ｏｎ　Ｐｈｙｓｉｃｓ″）の第１巻３１章と第２
巻３２章に示されているように、物質の屈折率は物質の
密度、伝達されている光の周波数および物質内の電子励
起の共振周波数の関数である。可視光を透過する物質の
大部分については、共振周波数は紫外領域にあるので、
可視領域内においでは屈折率は光の周波数にわずかに依
存するに過ぎない。従って、光を光ファイバから漏れる
ようにすると、光の全周波数帯域にわｔこってほぼ同程
度減衰する。従って、光減衰器はこれを通る信号のスペ
クトル分布にあまり影響を及ぼさない。

しかし、屈折率は密度に大きく依存する。密度は熱を加
えて熱膨張させることによって簡単に変えることができ
る。屈折率に一定の変化を与えるのに必要なエネルギー
の量を減らすために、熱膨張率の大きな物質を使用する
ことは有益である。

通常、液体は固体より熱膨張率がはるかに大きいため、
液体コア光ファイバと液体クラッドの一方または両方を
使用することは有益である。液相から気相への変化のよ
うな熱力学的変化、異なる格子構造への変化、磁化可能
゛な物質や液晶に存在するよ５な配向の変化によっても
光ファイバのコアとクラッドの屈折率を太き（変えるこ
とができ机少な（とも２本の光ファイバのコアとこれら
ファイバを１つまたはそれば−Ｆの領域で接続しこの間
で漏れる光を制御することができる物質とによって構成
される光結合器も辱えられる。両光ファイバの屈折率が
同一であると、接続する物質の屈折率に対する両光ファ
イバの屈折率の比を変えて、両光ファイバの間の漏れの
量を制御することができる。これらの接続部分の各々に
おいて、接続する物質と光ファイバは接続する物質より
屈折率が小さい物質で覆われる。従って、光ファイン（
から逃げる光の大部分はただ単に逃げるかわりに、別の
光ファイバに送り込まれる。このように、接続カス する物質は単に光が１水勢それ以上の光ファインくから
逃げるようにすることによって減衰を引き起こすかわり
に、光フアイバ間での光結合を行なうつこの光の移動は
基本的には双方向性であるが、各方向に伝達される光の
割合は同一である必要はない。光ファイバの１本から漏
れ出た光は、各光ファイバの断面積の比率にほぼ等しい
比率で全部の光ファイバに分配さ７する。従って、第１
の光ファイバから第２の光ファイバに伝達される光の割
合ファイバを同一物質で構成しなくても良い場合は、接
続媒体の屈折率に対する光ファイバの屈折率の比を各フ
ァイバごとに変えることができる。従って、光ファイバ
から漏れる光の割合を光フアイバ毎に変えることができ
る。

送り側の光ファイバから受は側の光ファイバに伝達さｉ
する光の割合はまた、各光ファイバの間で光を結合する
ための光フアイバ間の接続構造としである特別な形態を
採用することによって高めることができる。この特別な
形態の接続構造は光フアイバ間の結合度を高める能力に
とって重要である。−＊施態様においては、送り測光フ
ァイバまたは受は側光ファイバは右巻きのらせんに巻か
れ、他方の光ファイバはこの右巻きらせんと位相幾何学
的に同軸の左巻きらせんに巻かれている。この２Ｍのら
せんは、いくつかのセクションで接しており、こｎらの
セクションで光フアイバ間の光の結合がなされる。ここ
で光の送り側の光コアイノく上で光の伝送方向をある１
つに固定して考えた場合、この光ファイバの一端を入力
端、十た他端を出力端と考えることができる。光フアイ
バ間の結合セクションに送り側の光ファイバの入力端か
ら順に番号な付けると、第１の結合セクションは送り側
光ファイバの入力端に最も近（位置すると共に、光の受
は側の光ファイバの出力端に最も近（位置する。同様に
して、受は側の光フアイバ上で見れば送り側光ファイバ
上の逆順、すなわち出力端から数えた番号が付けられた
ことになる。この位相幾何学的構造によって、たとえ送
り側の入力端に与えられた光のほとんど全部が受は側の
光ファイバに伝達される構成とした場合でも、個々の結
合セクションについて見れば、送り側光ファイバ内の光
量は受は側の光フアイバ内の光量よりも多い。この構成
全体として、送り側光ファイバから受は側光ファイバに
伝達される光の割合は、２重らせん上に十分に多数の結
合セクションを投げる”ことによって、限りなく１に近
づけることができる。

第１図には、光ファイバのコアを被覆する層の屈折率と
コアの屈折率の比の変化を利用する光減衰器が示されて
いる。第１図において、光ファイバはコア１１を有し、
このコア１１は屈折率カコアより小さいクラッド層１２
によ・つて瓜１つれている。コアＩＩからクラッド層１
２に向かって境界１３を横切ると屈折率が段階的に低下
することによって、臨界角より大きな入射角でこの境界
１３に入射する光線はこの境界１３で内側に全反射され
る。その結果、このような光線はほとんど減衰すること
な（ファイバ内を伝搬する。

第１図中で左右一対の点線１６によって示されているコ
アの領域１５内においては、境界１３における臨界角が
増加するよう、コア１１の屈折率とクラッド層１２の屈
折率との比の瞳を領域１５外に比べて小さくしている。

所しい臨界角より大きな角度で境界１３に入射する光線
１７のような光線はこの境界で繰り返し反射されて光フ
アイバ内を伝搬する。古い臨界角と新しい臨界角の中間
の入射角を有する光ａ１８のような光線は領域１５でこ
の境界を越えてクラッド層１２にはいる。この光線１８
はクラッド層１２と周囲大気の間の境界１４で反射され
ろ。光線１８は、コア１１とクラッド層１２の間の境界
をどちら向きにも越えて進むことができるので、境界１
４での反射によって光フアイバ内で伝搬される。このよ
うな光線は、コアだけでな（クラッド内をも進行するこ
とからクラッド・モード光線と呼ばれろ。なお、これに
対してコア内だけを進光する光線をコア・モード光線と
呼ぶ。

光フアイバ内の光の減衰は、クラッド・モード光線な光
７アイパの外に出すことによって達成される。これを実
現するために、クラッド層１２よりも大きな屈折率を有
する被１１９な、クラッド・モード光線を光ファイバか
ら出すべきコアイノく領域に形成するっ被ｆｆｆ　１９
には充分な厚さと吸収率を持たせ、クラッド−モード光
線が光ファイ・（内に反射されて戻らない様にする。大
部分のエポキシは、被９１９として使用するのに適して
いもこのようなエポキシの一例は、米国マサチューセッ
ツ州ピルリカのエポキシ・テクノロジー社デ （Ｅｐｏｘｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ＋ｙ、Ｉｎｃ、、　Ｐ
、０．　Ｂｏｘ　５６７、Ｂ１１１ｅｒｉｃａ、　Ｍａ
ｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ　傘０１８２１　）より入手で
き、１．５４の屈折率を有するＥＰＯ−Ｔ　ＥＫ３０１
である。光減衰器はこれに光を送り込んだり送り出した
りする光ファイバとは別個のデバイスとして作るのが望
ましい。固体コア・セクションを利用する光減衰器にお
いては、このセクションは一般的にはクラッド層や緩衝
被ｆｉ　（ｂｕｆｆｅｒ　ｃｏａｔｉｎｇ）を有せず、
次に光減衰器た接続される光ファイバは通常緩衝被覆を
有する様に構成するっこのようにして光ファイバから漏
出する光の割合は、コア１１とクランド層１２との屈折
率の比の関数である。光ファイバの光線モデルによれば
、この比を１にまで減らすと、領域１５で境界１３に入
射する光線はどれもこの境界１５を越えてクランド層１
２側へ入ることができる。またこの比の１直が１よりわ
ずかしか小さくない場合でも、境界１３に入射した光線
はほとんど反射されないので、領域１５で境界１３に入
射する光のほとんど全部が境界を横切る。しかし、光フ
アイバ内を伝搬される光線の多くのもの、特に低次のモ
ードの光線は、光ファイバの軸にほぼ平行であるので、
これらの光線は領域１５の内部では境界１３に入射しな
い。領域１５の長さとクラッド・モード光線取り出し用
の被覆１９の長さを増加することによって、減衰量を必
要なだけ大きくすることができる。従って、側屈折率の
比を１かそれば下に減らす様に屈折率を制御できるなら
ば、本光減衰器はオンオフ・スイッチとして動作するっ
第２図には、光を多数の領域でファイバから逃げるよ５
にすることによって、領域１５の実効長を増大させた光
減衰器が示されている。この光減衰器洗おいては、コア
の直径が１００ミクロン程度の光ファイバ２１を直径と
長さが夫々１ｃｆＩＬ程度の円筒２２尾らせん状に巻き
つけである。ヒータ２３の発生する熱により、コアとク
ラッドとの屈折率の比の直を減らす様にしている。これ
によってコア内の光はクラッドに漏れ出してクラッド・
モードにはいる。円筒２２は銅やアルミニウム等の熱伝
導率の高い物質で作らｊｚる。これにより光ファイバ２
１からの熱の除去を促進するっ本構成によって、コア内
の光線カニ外部へ導き出されるのに充分な程度まで、コ
アとクラッドとの屈折率の比の直が減少することが一層
確実となり、周囲大気内の温度こう配（例えば、すぐ近
くの外部熱源）によって引き起こされる光フアイバ内の
温度こう配も平坦化される。またヒータ２３をオン・オ
ンするときの減衰変化速度が向上する。

クラッドより屈折率が大きい物質で領域２４におけるク
ランド層を破唆することにより、この領域でクラッド・
モード光線が光ファイバから逃げるようにする１、第１
図と第２図の両方に示されているように、これら２つの
領域は一致する心安はない。しかし、両者が一致しない
場合は、クラッド・モード光線が領域１５を出るとき、
その一部は再びコア・モード光線に戻り得るっこの様に
して再びコア・モードになった光線は領域１５の外部で
クラッド・モード光線取り出し用の被覆によって光ファ
イバから外に出されることはない。従って、その分だけ
減衰量が低下する。

クランド・モード光線の一部が領域１５を出るときコア
・モードに戻ることができるということを説明するため
、クラッド層１２の屈折率は点線１６で示される境界の
前後で変わるがコアの屈折率の方は変わらない例を考え
てみよう。光線１８の様に、領域１５の内外での臨界角
の間の値の入射角を有する光線の場合、この光線がコア
内部を通過している間に境界を越えて領域１５を出ると
、境界１３に次に入射するときの入射角はその入射点で
の臨界角より大きくなる。従って、この光線は入射点で
全反射され、クラッドには入らない。

この様な光線を光ファイバから取り出すことができない
事態が生ずるのを避けようとするならば、点線１６で示
される境界の内側のファイバ部分に被覆１９を形成する
のが望ましい。しかし、クラッド・モード光線のうち、
光線が領域１５を出るときクラッド層１２内を通過して
いるものは領域１５外でコア１１に戻るとき屈折される
。それは、コアがやはりクラッドより大きな屈折率を有
するからである。この屈折により、境界１３への本光線
の入射角が臨界角以下に保たれる。従って、この光線は
コアに捕えらずにクラッド・モードにとどまる。従って
たとえ被覆１９が領域１５の内側には設けられていな（
とも、この種のクラッド・モード光線はクラッドから外
へ取り出すことができる。

コアとそれを被覆する層に利用できる材料の選択にあた
って制限となる条件としては、光減衰器がその全動作温
度範囲にわたって大きな劣化を生じないという点と、側
屈折率の比の値が、この温度範囲に対して、値１をまた
ぐある範囲にわたって変動するという点のみである。有
用な開口数を得るため、この範囲の上限は１直１の少な
くとも数パーセント上であるべきであるっ比の値の変動
範囲に対するこの要請は、実際には、室温ではこの２つ
の材料は互いに数パーセント以内の差がある屈折率を有
することを求めている。一定量の減衰に必要な熱量を減
らすためには、この２つの材料の屈折率の差が一定量の
熱に対して半大きく変わることが有益である。従って、
一定量の熱で大きな温度変化が生ずるよう、加熱される
材料の比熱が小さいことが有益である。また、加熱され
る材料の少なくとも一方については、温度変化にともな
って屈折率が太き（変わることが有益である。

加えられる熱に対するこの材料の応答時間を改善するた
め、比較的大きな熱伝導率の材料を使用することが有益
である。なお、熱交換は、加熱だけでな（冷却によって
も行なうことができる。ヒータは簡単な構造を取ること
ができるので、通常は冷却器よりもヒータを利用するこ
とが望ましい。

しかし、ある種のデバイスにとっては冷却器を利用する
ことが有用であろう。一般的には、電力が供給されない
とき、光減衰器は非減衰状態にあり、光結合器は非結合
状態にあることが有益である。

しかし、光ファイバの屈折率が温度にさほど左右されず
、しかもコアを覆つ物質の屈折率が温度上昇と共に減少
する減衰器にあっては、電力が与えられていないとき非
減衰状態になるのは、このクランド材料が室温でコアよ
り屈折率が低い場合のみである。従って、漏れの量を制
御するためには、この材料を冷却してその屈折率を増大
する必要がある。この種のデバイスでは、冷却器を使用
することが有益である。熱電冷却器はそのようなデバイ
スに商業的に使用するのに十分なほど小さくで安価であ
る。

１澁 ここにおいて、コアまた与クラッドとして液体を用いる
ことは特に有用である。それは、液体は固体よりも温度
に対する屈折率の変動が犬ぎいためである。コアに液体
を用いる場合は、宕融石英（ｆｕｓｅｄ　ｑｕａｒｔｚ
　）のように透明な固体物質の中空を 管にこれよりわずかに屈折率が大きな液体噂満だした形
態をとる。石英は可視光に対する透明度が高い等のあら
ゆる点で中空管用材料として有用である。一般に、可視
光に対し７て透明度が高いことは光ファイバにとって好
ましいことである。中空管中に充填するコア用液体とし
ては、たとえば四塩化エチレンやキシレンを用いること
ができる。

それは、これらの液体は石英よりわずかに屈折率が太き
（、利用される全温度範囲にわたってさほど劣化せず、
石英管を腐食せず、更に適度な温度上昇により屈折率が
石英より小さくなるからである。ある実施例においては
、流体コアの成分比はアセトン１部とキシレン７部の割
合である。このように調合することによって室温でのこ
の溶液の屈折率は１．４９となる。従って石英管（屈折
率１．４６）中にこの液体コアを充填することにより開
口数は０．３となる。この開口数は光減衰器に接続した
光ファイバの開口数に適合するように選択した。

蒸発などによって石英管から液体が失われるのを防ぐと
共に、本デバイスを周囲温度の変化に鈍感にするため、
石英管の両端を封止する。液体を閉じた容器に密閉して
いるため、液体の一部の屈折率を減少するようその一部
を加熱すると、この部分の液体はわずかに膨張し、管内
の残りの液体をわずかに圧縮する。これによって内部圧
力が発生するので、中空管はこれに耐えることができな
ければならない。石英は比較的破壊強度が大きいので中
空管に特に好ましい。

石英は液体コアよりはるかに熱膨張率が小さいため、加
熱された領域ではコアの屈折率と石英の屈折率の比は減
少する。１００°Ｃ程度まで温度を上げた場合、この比
は１以下になるので、コア内の光のほとんど全部がクラ
ッド中に逃げる。第２図に示した光減衰器にこの液体コ
ア入り石英管ファイバを用いた場合、ファイバ２１を１
５回巻き、ヒータ２３の長さを１皿程度にすれば、６０
＝ＩＢの減衰度が得られる。

第３Ａ図と第３Ｂ図には、光ファイバによって伝達され
る光の減衰量を制御できるよう、固体光ファイバの一部
を液体で包み込んでいる減衰器が示されている。この光
ファイバはコア３１とクラッド層３２を有する。クラッ
ド層３２の一部をファイバ上から取り除き、この部分を
一対のウェーハ３４．３５の間にはさんでいる。ウェー
ハ３４，３５の各々には光ファイバの一部を保持するた
めにＶ字形の溝３３が形成されている。シリコンはエツ
チングによって簡単にＶ字形の溝３３を形成できるだめ
に、これらウェーハ３４，３５にとって好都合な材料で
ある。外部ヒータも使用することができようが、ウェー
ハ３４または３５に形成した薄膜抵抗ヒータを使用する
ことが好都合である。従って第３Ａ図に示している光減
衰器では、１対の導線３６．３７をウェーハ３４上のフ
ィルムに接続してこのデバイスを加熱するための電流を
制御するようにしている。

第３Ｂ図に示されているように、ウェーハ３４と３５の
間の空間で光ファイバがない領域３８（Ｖ字形溝３３内
の領域を含む）には、室温でコア３１より屈折率が大き
い液体が満ｔこされていも液体コアの場合と同様に、こ
の液体は比較的大きな熱膨張率、一定の密度変化に対す
る大きな屈折惠変化、大きな熱伝導率および小さな比熱
を有するのが望ましい。また、妥当な温度範囲内でこの
液体の屈折率がコア３１の屈折率をまたいで変化できる
様にするため、この液体の屈折率はコア３１の屈折率に
充分に近い１直を持たなければならない。

この液体はこの温度範囲内で分解してはならないし、ま
た接触する他の部品を腐食してはならない。

鉱油はこの液体として適当であることが＠認された。鉱
油の屈折率は室温においてはコア３１に使用する溶融７
リカ（ｆｕｓｅｄ　５ｉｌｉｃａ　）の屈折率１．４６
より約０．００２大きい。

本光減衰器の１つの構成例においては、ウェーハ３４，
３５ノ長さしは約５關、幅Ｗは約１．５７１１７Ｗ＃醤
キ、また高さＨは約０．１５ｎｍ　　である。まだこの
構成例ではコア３１の直径は約０．１２５ｍｍ、溝３３
は幅Ｗ′が約０．１１ｍｍ、深さＤが約３！５ｙｘｍに
作られている。ウェーハ３５は、ブロック３１０と熱的
に接触している。このブロック３１０は銅やアルミニウ
ムのように非常に伝導性の高い物質より成り、ヒート・
シンクとして働（っブロック３１０とウェーハ３５の間
には０．０２５ｍｍの厚さのマイラの薄板３９が置かれ
る。このマイラの薄板３９によりウェーハ３５とブロッ
ク３１００間の熱伝導が定まる。

導線３６．３７に接続された電源は１，８ワツトの電力
を制御可能に供給して光減衰器を加熱する。電力レベル
とマイラーの薄板３９の厚さを以上の様に定めた場合、
加熱速度はほぼ光減衰器の冷却速度に等しい。また、光
減衰器の定常状態の温度はヒータのオン時、オフ時の夫
々に対して１３５°Ｃ１及び室温となる。この光減衰器
のスイッチング速度（すなわち、最低温度の１０％上と
最大温度の９０％の間で加熱または冷却するのに要する
時間）は約０．１秒である。抵抗ヒータをウェーハ３４
上のかわりにウェーハ３５上に配置することによって温
度の均一度が多少向上する。それは、これによってヒー
ト・シンクへの唯一の熱通路がヒータ自体を通るからで
ある。ウエーノ・３４は周囲大気と熱的に接触している
。光減衰器に電力を与えた時には、領域３８内の液体の
屈折率はコアの屈折率より約１％低（なり、無視できる
程度の減衰しか生じない。他の構成例では、薄膜抵抗ヒ
ータはＶ字形の溝３３の表面上に配置され、領域３８内
の物質と直接接触している。この直接的な接触構造をと
ることＫよってスイッチングは速くなり、必要な電力は
減少する。

第４図には、一対の光ファイバを光学的に結合するのに
適している光結合器が示されている。一対のウェーハ４
５，４．６の各々には一対の■字形の溝４２．４４が形
成されている。第１の光ファイバのコア４１と第２の光
ファイバのコア４３はこれらのウェーハ４５，４６の間
の前記溝４２．４４にはさまれている。コア４１とコア
４３を接続する領域４７には液体が入っている。この液
体の屈折率は結合器の動作温度範囲内でコア４１と４２
の屈折率より大きい値から小さい１直まで変化する。加
熱したときこの液体が膨張できるよう、領域４７は毛細
管路によって周囲大気に接続されている。

この毛細管路を可撓性の膜を用いて封止することにより
、液体を周囲大気からさらに確実に隔離しても良い。あ
るいは固定の封止部を設けるかわりに、ガス溜めを設け
、領域４７内の液体が膨張するとぎこのガスが圧縮され
るような構成にしても良い。いずれＫしても、コア４１
の屈折率はコア４３の屈折率に等しくなるように選択す
る。第３Ａ図、第３Ｂ図に示す光減衰器と同じように、
ウェーハ４６とブロック４１００間の薄い絶縁層４９が
これら２つの領域の間の熱伝導を制御する。

ウェーハ４５と４６の間の空間でコア４１やコア４３が
ない領域４８は、領域４７中の液体より屈折率が小さい
物質で満たされている。領域４７０表面はいずれかの光
ファイバと接触している部分を除いて、領域４８中の物
質により覆われている。それによって領域４７と４８の
間の境界にゼロでない臨界角を生じ、領域４７に漏れた
光の大部分がコア４１．４３または領域４７の内部にと
どまるようにしている。このようにして、光結合器の長
さの範囲内で、コア４１．４３および領域４７は共働し
て反射空胴（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　ｃａｖｉｔｙ）と
して機能し、コア４１．４３を介して本反射空胴にはい
った光をその内にとじこめておく。光結合器の長さを極
めて長くしていった極限では、コア４１を通って光結合
器を出る光の量は、コア４１と反射空胴との断面積の比
のＩｉσに比例する。同様のことがコア４３についても
言える。また、光結合器内で失われる光の割合は、少な
（とも領域４７と反射空胴との断面積の比の筐と等しい
。この損失をできるだけ少なくするため、領域４７の長
さＬ′は可能な限り小さくすべきである。しかし、この
長さが小さすぎると、非結合状態時においても光は量子
論的効果により両党ファイバ間を通り抜けてしまう。・
てのトンネル効果はエバネツセント波結合（ｅｖａｎｅ
ｓｃｅｎｔ　ｗａｖｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　）といい、
２ミクロンの距離で光フアイバ間に約１％の結合を生ず
る。従って長さＬ′は光フアイバ間の分離度に対する要
求によって決定される。しかし一般的には、３ないし６
ミクロン程度の長さで適切な分離と低損失が得られる。

長さＬ′を３ミクロンにした例では、損失は２ないし３
％程度となる。この光結合器の構造は、一対の光フアイ
バ間の結合には限定されるものではなく、共通領域によ
り接続された任意本数の光フアイバ間の結合に一般化で
きる。ここで共通領域用物質は使用される光ファイバの
屈折率との大小関係を反転させることができるものを用
いる。このような構造では、ある光ファイバから他の任
意の２本の光ファイバに伝達される光量の比はこれら２
つの受は側の光７アイバの断面積の比の直にほぼ比例す
る。

第４図に示されている形式の光結合器における光フアイ
バ間の光の分配率は、各光ファイバの断面積の比になる
。この性質を用いて、特に簡単な光結合器を作ることが
できる。例えば、コア４３の直径がコア４１の直径の２
倍であると、光結合器にはいったコア４１内の光の最大
８０％までがコア４３に伝達される。このような光結合
器は、光を光ファイバから取り出したり、また注入した
りするのに使用することができる。

第４図の光結合器は基本的には方向性結合器である。す
なわち、光ファイバ４１の近い方の端から光を注入した
場合、非結合状態では光はすべて光ファイバ４１の遠い
方の端に出る。結合状態では、光の一部が光ファイバ４
１の遠い方の端から出ると共に一部が光ファイバ４３の
遠い方の端から出るが、基本的には光ファイバ４３の近
い方の端からは光は出ない。従って、光ファイバ４１の
近い方の端を入力ポートとして利用すると、光ファイバ
４１の遠い方の端はこの入力ポートに対しての直接出力
ポートとして働き、光ファイバ４３の遠い方の端は入力
ポートに対する結合出方ポートとして働（。従って、結
合出方ポートは光ファイバ４１の入力ポートにはいった
光を取り出すのに使用することはできるが、光フアイバ
４１側の出力ポートにはいった光を取り出すことはでき
ない。従ってこの光結合器は、マイクロ波工学の方向性
導波管に相当する光デバイスである。

なお、同一の直径の多重モード光ファイバを有する２本
の光フアイバ用の光結合器の場合、結合係数（すなわち
、光結合器の一方の光ファイバにはいって他方の光ファ
イバに伝達される光の割合）は高々２分の１である。個
々の光結合器での結合係数Ｃが２分の１よりかなり小さ
くとも、ファイバ上の多数箇所で次々に結合することに
よって、結合器の実効長を長（し、もって全体としての
結合係数を１　／　２　Ｋ近付けることができる。

第５８図には、方向性結合器一般において、複数個の方
向性結合器を用いて全体としての結合係数を任意に１に
近付けることができる接続構造を有する方向性結合装置
を示す。第５Ｂ図中の個々の方向性結合器として、たと
えば第４図に示した方向性を有する光結合器を用いるこ
とができる。

この方向性結合装置では光ファイバ等の一対の伝送経路
５１．５２が、たとえば第４図に示すような、Ｎ個の結
合器によって結合されている。ここにおいて、各伝送経
路５１．５２は第１の端から第２の端まで順番に配置さ
れたＮ個のセクション１．・・・・・・、Ｎを有し、ま
た第１の伝送経路５１のに番目のセクションは第２の伝
送経路５２０に＃目のセクションに結合されている。各
伝送経路５１．５２上におゆるこれらのセクションには
昇順に番号が付されている。

これら２本の伝送経路５１．５２間の結合の主要な特徴
として、これらＮ個のセクションの各々で各伝送経路５
１．５２が互いに逆平行（ａｎｔｉ　−ｐａｒａｌｌｅ
ｌ　）となるように配向されている。この構造をとるこ
とによる効果はぽ下の説明から理解することができる。

光等の信号を伝送経路５１にその第１の端５４から注入
すると、セクション１では信号は矢印で示されている方
向に向かって伝送経路５１内を伝送される。この信号を
セクション１で伝送経路５２に結合すると、この信号は
その点で矢印で示されるように同一の空間的な方向を有
する。ここにおいて、伝送経路５１内の信号の方向はこ
の伝送経路自体の方向に平行であるが、セクション１で
伝送経路５２側に結合される信号は伝送経路５２の方向
と逆平行である。この関係は結合セクションの各々で当
てはまる。この構成により、伝送経路５２の第１の端５
６への入力信号を考えた場合、この第１の端５６が入力
端としで働き、伝送経路５１の第１の端がその出力端と
して働く。

本結合装置においては、結合係数が増加するという効果
が得られる。

各方向性結合器の結合係数Ｃが０．５以下でも、第５Ｂ
図に示した結合装置においては、伝送経路５１．５２間
の総合結合係数ＣＴを最大１まで上げることができる。

総合結合係数ＣＴを算出するために２つの差分方程式を
以下で提示する。伝送経路５１を通ってに番目の方向性
結合器（すなわち各伝送経路のセクションＫを結合する
方向性結合器）にはいる信号エネルギを■にとし、また
伝送経路５２を通ってに番目の方向性結合器にはいる信
号エネルギを■に′　とする。すると伝送経路５１から
伝送経路５２に伝達される正味のエネルギＤＩｉｃは伝
送経路５１により方向性結合器に供給されるエネルギか
ら、伝送経路５２により方向性結合器に与えられるエネ
ルギを差引いた残りのエネルギの０倍である。すなわち
、 Ｄ　ｆｘ　＝Ｃｘ　（■、　ＩＫ’　）である。従って
、差分方程式は ＩＫ＋１　＝　Ｉｘ−Ｄ　ＩＫ　　　　　　　　　　　
　　　け）Ｉａ−＋　＝　Ｉ７　＋　ＤＬｔ　　　　　
　　　　　（２）と表わされる。総合結合係数０丁を求
めるため、端５４には信号のエネル？ｉいらず（すなわ
ち、■に〇）、エネルギＩｉ６が端５７にはいる（すな
わち、Ｉ　’ｗ　＝　Ｉｉｎ　）と仮定する。エネルギ
１１′をＩで表わすと、第１の方向性結合器へ与えられ
る両エネルギの差は■であるので、ＤＩ−二−ＣｘＩが
六 成立する。Ｋ＝１の場合ヨ肴）から１２＝Ｃ×Ｉが得ら
れる。式（２）でに＝２としてＩ、、′＝　（１＋Ｃ）
ＸＩが得られる。エネルギＩ２．■２′の値より第２の
方向性結合器にはいる両エネルギの差も■であるので、
この方向性結合器中において両伝送経路間で伝達される
エネルギは再びＣｘＩとなる。これはＫのすべての１直
について当てはまるので、ＩＫ＝（Ｋ−１）ｘＣｘ　Ｉ
　　およびＩｊ　＝（１＋（Ｋ−１１ＸＣ）Ｘ　Ｉが成
立する。従って、 Ｎｎ＝Ｉ’Ｎ−（１＋（Ｎ　　１）ｘＣ）ｘＩ■１０ｕ
ｔ二１６−（１−Ｃ）×ｌ ｌ１ｎ＝１１．．−０ Ｉｏｕｔ　”　　Ｉ　Ｎ＋ｌ　　＝　　Ｎ　Ｘ　　ＣＸ
　　Ｉとなる。従って、伝送経路５２から伝送経路５１
に結合されるエネルギの割合である総合係数ＣＴは、 ＣＴ＝　Ｉｏｕｔ／　Ｉ’Ｉｎ＝、　ＮｘＣ／　（１＋
［Ｎ−１）ｘ　Ｃ）と表わされる。この直は方向性結合
器の数Ｎを増加することによりいくらでも値ｌに近づけ
ることができる。従って本構成により、一方の状態では
入力ポートに入力されたエネルギのほとんどすべてをこ
の入力ポートについての直接出力ポートｈ）らそのまま
出力し、他方の状態ではその入力されたエネルギのほと
んど全部を入力ポートについての結合出力ポートから出
力するノくイノくス形スイッチを与えることができる。

第５Ａ図と第６図には第５Ｂ図に示した方向性結合装置
と同様の構造を有する２つの光方向性結合装置が示され
ている。第６図においては、一方のファイバは右巻きの
らせんとして形成され、他方のファイバは同じ軸及び寸
法を有する左巻きのらせんとして形成されている。これ
らのらせんの交点の一部または全部に、第４図に示すよ
うな光用の結合器が設けられて両ファイノくを互いに結
合している。また第５Ａ図においては、各光ファイバ５
１’、５２’はジグザグ形に形成され、ウエーノ・５３
によりはさまれている。これら２本の光ファイバ５１’
、５２’は第４図に示すような光結合器によってジグザ
グ・パターンの各回がりの間の光ファイバのセグメント
の一部または全部で互いに結合されている。これら２つ
のジグザグ・パターンはジグザグの半分の繰り返しだけ
オフセットされているので、各光結合器中におけるこれ
らファイバの方向（第５Ｂ図の構造に関してすでに定義
した）は互いに逆平行となっている。この構造は、これ
ら光ファイバが厳密に逆平行ではなく、互にほぼ１８０
度離れた方向を向いている場合でも先に差分方程式は）
、（２）に基いて説明した様に働く。ただし、逆平行か
らのずれがあった場合には、このずれによって各光結合
器で光がある程度減衰する。

この減衰は本接続構造自体の性質によるのではな（、結
合器の性質によるものである。従って、第４図に示す様
な光結合器を多数用いて総合結合係数ＣＴの値を大きく
するには、これら光ファイバを各結合点でほぼ逆平行に
するだけでよい。

第１図ないし第４図で開示した光減衰器と光結合器は、
コアの屈折率とクラッド層の屈折率との比を熱膨張によ
って変えるために熱を利用している。その他の機構もま
たこの比を変えるために使用するに適している。熱力学
的状態遷移により物質の屈折率の段階的変化を引き起こ
すことができる場合がしばしばある。液体から気体への
状態の変化によって特に屈折率が大きく変化ずろが、他
の状態遷移も利用することができる。例えば、ネマチッ
ク相（ｎｅｍａｔｉｃ　ｐｈａｓｅ　）から等方性相（
１ｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｐｈａｓｅ　）　ヘの液晶相遷移
によって有用な屈折率の変化が生ずる。イー・エム・ケ
ミカ凡 ルズ社（Ｅ　Ｍ　　Ｃｈｅｍｉｃａ４ｓ　）　　から市
販されている液晶材料ＮＤ−１５９９の場合、６０°Ｃ
μ下でのそのネマチック相は１．５６２の正常屈折率ｎ
ｏと１．４８２の異常屈折率ｎｅを程し、６０℃以上で
のその等方性相は１．５０９の屈折率ｎを程する。この
材料は、適当な屈折率の複合ガラス光ファイバに使用し
たり、屈折率を１．４　ｓ　２　ｙ、上に上げるために
適当にドープした石英光ファイバとともに使用したりす
ることができる。あるいは、屈折率が１．４６である単
純な溶融→石英光ファイバに用いることができるよう、
この材料を多数変えることもできる。

ネマチック−等方性相遷移に要するエネルギは僅かに０
．５力ロリー／立方センナメートルである。

これは第４図に示した光結合器について前述した１１５
℃の温度範囲にわたって鉱油を加熱するのに必要な１１
５力ロリー／立方センナメートルのほぼ０．４％にしか
過ぎない。この結果として、この液晶物質を領域４７に
結合材料として利用し、結合器を６０℃近（に保つと、
スイッチングのために印加する電力が同一の場合、この
液晶を用いた場合のターンオン時間は鉱油を使用しｔこ
ときのわずか０．４％し、か要しない。ターンオフ時間
は一般にネマチック相が等方性相から変化するのに必要
な速度によって決定される。この時間は通常の流体の冷
却時間に比較しても短かい。しかしこのようなスイッチ
速度は、絶縁と定常的な電力供給とにより液晶を約６０
℃に保ってはじめて実現される。

他に使用可能な相遷移としては、たとえば固相一液相遷
移や磁化可能な物質のギューリ一温度の上下間における
遷移がある。

すでに説明した光結合器では、各党ファイバ・セグメン
トは同一の屈折率を有すると仮定した。

実際にはこの条件は必ずしも必要なものではない。

異なる屈折率を有する光コアイノく・セグメントを利用
することによって結合を単方向化することができる。こ
れを説明するために、屈折率ｎ１　の第１のファイバと
屈折率ｎｚ（ｎｚ　（ｎ＋　）　０）第２０）ファイバ
が屈折率ｎ３の結合媒体によって結合されている場合を
考えでみる。ｎ３をｎｚより／ＪＳさい初期値から旧と
ｎｚの間の最小値に変化させると、第２の光フアイバ内
の光の全部を結合媒体に伝達することができるが、第１
の光コアイノζはなおゼロでない臨界角を有するので、
その低次モードはなお第１の光ファイバに捕えられたま
まである。

従って、結合媒体中に漏出することができる高次モード
だけが第１の光ファイバから第２の光ファイバに伝達さ
れる。

前記の光減衰器と光結合器はまた空間的に一定の屈折率
を有する光ファイバ・セグメントを使用していた。しか
し、グレーデッド・インデクス（ｇｒａｄｅｄ　１ｎｄ
ｅｘ　）形コアを有する光７フイ／”セグメントを用い
た光減衰器や光結合器には幾つかの利点がある。それは
、光減衰器や光結合器が取付ゆられる光ファイバの大部
分のものはグレーデッド・インチフス形光ファイバだか
らである。

グレーデッド・インデクス形ではない光ファイバ・セグ
メントを用いた前述のような光減衰器または光結合器の
出力をグレーデッド・インチフス形光ファイバに結合す
ると、この境界で損失が生ずる。この損失の一部分は、
この境界での屈折率の階段状変化により、この境界で反
射が起こることに起因するものである。この損失の大部
分はクレーデッド・インチフス形光ファイバの表面から
光が逃げることによる。グレーデッド・インチフス形光
ファイバにおいては、光線は光ファイバのコアに閉じ込
められており、コアの軸から表面に同かつて傾斜状に変
化する屈折率により、コアの表面近くでは光線は光ファ
イバの軸にほぼ平行となるっこれとは対照的に、グレー
デッド・インデクス形ではない光ファイバでは、閉じ込
められた光線はコアの表面に対してほぼ０から臨界角ま
での全角度で苧≠入射する。従って、一定屈折率光ファ
イバからグレーデッド・インチフス形光ファイバに伝達
される光の多くは光ファイバの軸に対して十分な角度を
有するので、この光はグレーデッド・インチフス形光フ
ァイバの表面から漏出する。これは、一定屈折率光ファ
イバのコアの表面近くで一定屈折率光ファイバからグレ
ーデッド・インチフス形光ファイバへ入る光に対して特
に当てはまる。そのような損失を避けるためには、減辰
器や結合器にグレーデッド・インチフス形光ファイバ・
セグメントを使用することが有益である。

に光ファイバの軸に対して０でない角度で入射させる必
要がある。これは、グレーデッド・インチフス形光ファ
イバにおいて、光を制御可能に光ファイバから取り出す
べき位置のセグメントの直径をテーパ状に／ＪＳさくし
てい（ことによって実現することができる。直径を半分
に減らすと、コア内の光の大部分が充分な角度でコアの
表面に入射する。クラッド層がある典型的なグレーデッ
ド・インデクス形光ファイバの場合、このコアから漏出
した光線はクラッド・モード光線となり、前述のように
してファイバ・セグメントから取り出すことができる。

この場合、第１図のクラッド層１２と第４図の領域４７
中の結合媒体用物質は小直径のファイバ・セグメントに
接触しなければならない。小直径のファイバ拳セグメン
トの終端ではまｒ″− た直径がじょうご状に大きくな・つていく。よって、こ
の部分において、クラッド・モード光線の大部分がコア
・モード光線に戻される。従って、この様な減衰器や光
結合器の非減衰モードや非結合モードでは、グレーデッ
ド・インデクス形ではないファイバ・セグメントを用い
た前述の光結合器や光減衰器に比較して損失量が低下す
る。

大部分のグレーデッド・インデクス形光ファイバは、グ
レーデッド・インデクス形コアを覆うクラッド層を有し
ている。通常、このクラッド層の屈折率はコアの表面部
分の屈折率に等しくしておく。このようなりラッド層が
あるからといって、光減衰器や光結合器に関する前述し
た説明は変更されるものではない。光ファイバという用
語はクラッド層を有するファイバ・コアとクラッド層を
有しないファイバ・コアのいずれをも意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光減衰器の構造及び動作原理を説明す
る図、第２図は本発明にかかる光減衰器の斜視図、第３
Ａ図及び第３Ｂ図は本発明にかかる他の光減衰器の斜視
図及び断面図、第４図は光結合器の構造を示す図、第５
Ｂ図は方向性結合器を複数個接続した方向性結合装置の
接続形態を示す図、第５Ｎ図及び第６図は第５Ｂ図に示
された接続形態を実現する構成を示す図である。 １１：コア、１２：クラッド層、１３，１４　：境界、
１５：領域、１７，１８　：境界、１９：被覆、２１：
光ファイバ、２２：円筒、２３：ヒータ。 ２４：領域、３１：コア、３２：クラッド層、３３：溝
、３４．３５　：ウエーハ、３６，３７　：導線、３８
：領域、３９：マイラの薄板、３１０ニブロツク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光が導入されるコアと、少なくともコアの一部