JPS60134208A - 単一モードフアイバ方向性結合器の製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は単一モードファ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
随するフィールドが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ィールド
と重畳するよう配設されている。光導波路では光クラッ
ドの働きの１つは通常光フィールドと相互作用を行なっ
て余分な減衰を起こづ可能性のあるものから光フィール
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ッドのこの隔
離効果をある長さに亘り部゛分向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ッ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
の減少により光フィールドは拡大するのでエネルギの相
当の部分がクラッドの境界を越えるようにづることがで
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ッドの厚さも減少する。単
一モード光ファイバ方向性結合器をこの延伸法により製
造することは、Ａプチクスレタース（ＯｐｔｉｃｓＬ　
ｅｔｔｅｒｓ）第６巻７号３２７〜８頁（１９８１年７
月）所収のＢ、Ｓ、カワナキ他による論文「双円錐テー
パ単一モードファイバ結合器」に記載されている。著者
によればこの製造方法は、７プライドオブヂクス（ＡＤ
Ｄｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　）第１６巻７号１７９４〜
５頁〈１９７７年７月）所収ノＢ、ｓ、ヵワサキ及びに
、０．ヒルによる論文［マルチモード光ファイバ網用低
損失アクセス結合器」に記載されている方法と略同−で
ある。この方法は、２つのファイバを並列して互いに接
するように捩り、ファイバをバネ張力をかけつつ治具に
取付け、次いで全長的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ァ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ァイバを軟化溶
融することからなる。

発明が解決しようと７る問題点 この方法を用いて単一モードファイバ方向性結合器を製
造することを試みたところ、パ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
に大きく影菅ツるため商業規模の製造には適さないこと
がわかった。

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
合部が得られるファ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ちのとな
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、互いに接触リ−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ァイバはファイバ間に
所要の光結合強度が得られるＪ：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ァ
イバ領域がファイバを伸長させる塑性流がこの部分内で
生ずるよう充分熱軟化するように覆る加熱源に対し軸方
向に勤がされつつファ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ァイバ方向性結合器の製造方ｉ
大が１足供される。

本発明によれば並列して接触づる１対のファイバは僅か
に異なる速度で駆動される１対のギヤリッジの間で伸長
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−七−ド光ファ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
につぎ説明するが、その前に比較のため本発明の移動に
関づ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、がかる方法を「静止炎法」とい
う。

光ファイバの基本案内モードの光フィールドの閉込めは
次の式によりファイバのＶ値に関係する。

λ・＝２８（。・−０ｉ　）／１ ！ ここでａはコアの半径、ｎｌ及びｎ２はそれぞれコア及
びクラッドの屈折率である。この式からある長さの光フ
ァ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
ｌ　に−２を包含する半径）は増大づる。第１図には、
１．３ミクロンで動作するよう設Ｓ１された典型的な単
一モードファイバについてのこれらの効果を示しである
。このファイバのコア径は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ッ
ドの屈折率はそれぞれ１，４８０及び１．４４７であり
、従ってこのファイバのＶ値は２．１乃至２．２である
。第１図かられかる如く、ファ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図かられかる如く引下げ比が２．５に達するまでには
基本モー１・半径は非常に急速に増加し続け、減少しつ
つあるクラッド半径を越えるようとする。一度この状態
に達づるど引下げ比の非常に僅かな変化でも方向性結合
器の２つのファイバ間の結合に大きな影響をおよぼ１ｏ
第２図は静止炎を用い捩りファ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
記録を示リーグラフである。この結合器を製造する際フ
ァイバの捩られた対は、パイ」ニカルなｉ−バが得られ
るよう両端が定速度で離間されつつ固定マイク１」トー
チの炎により局部的に加熱された。光が一方のファイバ
の一端から大剣され、パワー出ツノ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ァイバの他端が
監視された。時刻［１て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［２
まで行なわれた。時間ｔ２では出力が３．５お近く低下
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ァイバ間の結合は生じ
なかった。しかし一度結合が明白となると結合は少なく
とも３　ｄＢの点までは加速しつつ進行した。この段階
でテーバ付部は炎消火時に急速に冷却され損失はさらに
１お増加した。結合器のこの製造方法は結合の開始が急
速であるｉ＝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
なったファイバが炎中に長くとどまるほどファイバがた
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℃
から一空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づ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ァイバが
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ッククラッドを完全に除去
した２本の単一モードガラス光ファイバ３０．３１は、
ファイバが固定的にクランプされる２つの独立に駆動さ
れるブロック３２と３３との間の領域の少なくとも一部
に回り表面が並列しＣ接しつづけるよう互いに捩られる
。クランプは、捩られたファイバ対の軸が２つのブロッ
クの運動方向に正確に一致づるようになされる。２つの
ブロックの間にはファイバ３０．３１を局部的に加熱す
る炎を有づるマイクロト−ヂ３４が置かれる。

このマイク１コ［〜−チは適所に固定される。

ファイバの端部を保持するブロック３２．３３は同一の
方向へただし異なる速度で駆動される。

先行するブロックは、ファ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後行するブロックよ
りも常に僅かに速く駆動される。この工程は光ファイバ
のプリフォームからの引出しに類似１゛るが、ファイバ
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。そこで所望の結合層を得るには
数回縦動を行なう必要がある。ブロックは典型的には毎
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
ィードバック中に含むディジタル制御サーボモータによ
り各ブロッ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ックであったブロックが先行
ブロックとして働くよう他方のブロックより速く駆動さ
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、連続づ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づ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
用されで行なわれる。炎の点火はモータの始動に略同期
りる。

同様に炎の消火はモータの停止りに略同期づる。これに
関連して低温のファ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
覆るのが安全Ｃ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。

モータが逆転覆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ァイバ
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ァイ
バにスワンネックが形成される危険性をなくすだめの２
本のファ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を各ブロック上に設置覆るのが便利である。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った時
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３　ｄＢ結合器の製造の際初めブロック
は５〜８ｃｍ離間しており、典型的には２〜５ｃｍ延伸
さけるよう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ァイバ間の光結合がよ
り強くな（プればならないから、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、ファイバの一方の一端に特定の波長の光を
入ツノし延伸が進むのに応じた各又は両方のファイバの
他端からの先出ツノの変化を観測づることで監視される
。一方のファイバ（ファイバＡとする）の一端から大剣
された光は、初めのうちは第２のファイバ（ファイバＢ
とする）へパワーがある程度にしろ移行するには結合か
弱すぎるため略完全にファイバ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ァイバ△からの出力は
減少し一方対応してファイバＢがらの出力は増加する。

やがＣパワーの出力が２本のファイバで等分される第４
図の３Ｊ３点／ＩＯに達りる。結合が更に過結合領域に
入るまで進むとファイバ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ァイバ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ァイ
バＡの化ツノから戻るようになり第２の３８３点４２を
通過後点４３に示す如くパワーはファイバへの化ツノの
みから出てくるようになる。この後結合の進行が続くと
、パワーの出力がファイバＡからの化ツノとファイバＢ
からの化ツノとの問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
領域内のファイバのＶ値及び結合領域の長さに依存づる
。Ｖ値はファイバの形状、屈折率だけでなく波長にも依
存する。従って材料分散の影響を無視１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
ィラメントからの光が格子モノクロメータへ入力され、
一方のファ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
伴って望ましくないクラッドモードを必ず入射するので
クラッドモード除去装置がファイバの入力端と結合領域
との間に介装される。このような白熱フィラメントとモ
ノクロームとの特定の構成により０．８ミクロン付近の
短波長カットオフから　１．８ミクロン付近の長波長カ
ッｌ−７１７までに波長が亘る光源が１９られる。トレ
ース５０は、光が実際に入射されるファイバの他端から
の光出力を監視して得られた。トレース５１は結合器の
他方のファイバからの出力を監視して得られた。第１の
３　ｄＢ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ットオフされな
い高次モードの影響により僅かに乱れている。（従って
、この結合器は過結合単−モードファイバ結合器、つま
り結合が強り゛ぎｒＦ初の３　ｄＢ結合点が高次モード
カッ１〜オフより短い波長で生じる結合器と考えられる
。）第２の３　＋ＪＢ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のファイバから他方の
ファイバへのパワーの移行は略起こらない。図は１．３
４ミクロンにおいて、今度はモノクロメータ出力に生じ
Ｉζスプリアススパイクによりやや乱れている。波長的
１．５ミクロンでは入射されたパワーは第１のファイバ
から第２のファイバへ略完全に移行する。従ってこの装
置は、１．３２ミクロンと１．５５ミクロンの２つの波
長で動作づるシステムにおけるマルチプレクサ又はデマ
ルチプレクリとして働く。スペクトルにおける第１の３
ｄａｍの位置及び第１の３出点と次の３」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
。従って第５図の結合器で３お点は略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
用づる利点は、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っ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ァイバの相当
の長さに亘っている。このためマイクロト−ヂによる局
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
にお番プ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。部品ファイバのＶ値が大となるためにファイバ
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ら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バ１リ−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
関りるが、本発明が２本より多くのファイバから製造さ
れる結合器にも適用されるのは明らかＣある。従つＣＡ
発明は１９８３年４月２６〜２８日に１］ントンで行な
われた光ファイバレン］ノに関りる第１回国際会議の議
事録に出たｒ（３Ｘ３）ファイバ方向性結合器を用いる
受動性安定化ファイバ干渉ｈ１の性能特性」中に説明さ
れた種類の利用法を有りる３ノア、イハ結合器、に利用
できる。

上述の如くファ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、局所的な加熱によりスワ
ンネッ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ァイバをともに捩
るだｔノで得られたが、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、ファイバをある長さの
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
効果によりファイバ周囲にコラプスづるようマイクロト
ーチの炎等の縦動熱源によりスリーブを局部的に加熱づ
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って得られるＶ値及び単一モー
ドファ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つの単一モードファイバ間の
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つのファイバ間の結合
がファイバ延伸の関数どして如何に変化づるがを示す図
、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・・・光ファイバ、３２．３３・・・ブロッ
ク、３４・・・マイクロトーチ、３５．３６・・・ポイ
ンタ、４０．４２・・・３ｄＢ点。 特ｎ出願人　スタンタート　テレフォンスアンド　ケー
ブルス　パブリック 第１頁の続き ＠発明者　ニコラス　アンソニー へウイツシュ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）互いに接触づ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ァイバはファ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ｆＪられ
   、各工程ではある限定された部分内のファイバ領域がフ
   ァイバを伸長させる塑性流が該部分内で生ずるよう充分
   熱軟化するようにりる加熱源に対し軸方向に動かされつ
   つファイバが制御された速さで軸方向に伸長される単一
   ’１１−−１〜ファイバ方方向粘結器の製造方法。 （２）　ノア／イムは初めに互いに捩られることで互い
   に接触づるよう保持されることを特徴とする特許請求の
   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。 Ｓ）特許請求の範囲第２項記載の製造方法によし１１１
   ＩＩＩ焦古柄ス■一本−１ごコマノＩ（女１ｈ杵社Ａ嬰
   （４）結合器は、第１の３」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ほど結合が強
   い過結合単−モードファイバ結合器であることを特徴と
   する特許請求の範囲第３項記載の単一モードファイバ方
   向性結合器。 ６）　ファイバは初めファイバを囲むガラススリーブが
   軟化しファイバ上にコラプスするよう加熱ジることで互
   いに接触でるよう保持されることを特徴とする特許請求
   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。 ６）特許請求の範囲第５項記載の製造方法による製造さ
   れる単一モードファイバ方向性結合器。 ■　結合器は、第１の３　ｄＢ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ほど結合が
   強い過結合単−モードファイバ結合器であることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項記載の単一モードファイバ
   方向性結合器。 侶）結合器は１対の単一モード光ファイバから製造され
   ることを特徴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。 （９）結合器は３本の単一モード光ファイバから製造さ
   れることを特徴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。