JP2001508554A - 多層ファイバを備えた光カプラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 テーパー状光ファイバカプラが、コア(11)およびクラッド(12)を有する第一のファイバと、コア(21)、内側クラッド(22)および外側クラッド(23)を有する第二のファイバとを備えている。この機器の延伸された結合領域において、ファイバの結合領域(44,50)が、予め選択された動作波長で互いに交差する分散曲線を有する結合領域導波路を形成する。各々のファイバの一つ以上のクラッドが単調に減少する屈折率分布を有し、クラッド(12,22,23)の屈折率分布が互いに異なる。一方のファイバからもう一方への光の結合が動作波長を囲む狭いバンドの波長においてのみ生じる。ファイバの外径およびコア直径は、互いに同一であり、標準的な光ファイバのものと同一であってもよい。したがって、この機器は、光学系において容易に接続することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 多層ファイバを備えた光カプラ 発明の背景 本発明は光ファイバカプラに関するものである。「カプラ」と称される機器が 、一方のファイバからもう一方のファイバに光を伝送するファイバ光通信システ ムに通常用いられている。光ファイバは典型的に、コアおよびこのコアを包囲す るクラッドを備えている。光は通常、単一モードファイバのコア内を伝わるもの とみなされているけれども、いわゆる「エバネッセントフイールド(evanescent field)」がクラッド中に広がる。 「オーバークラッドテーパー状(overclad tapered)」カプラと通常称されるあ る種のエバネッセントカプラでは、予め選択された結合領域で延伸されたファイ バを用いている。これらの結合領域は、「オーバークラッド」と称される通常の マトリクスにより包囲されている。各々のファイバのコアおよびクラッドは、そ の結合領域の両側で、ファイバの非延伸領域における完全な直径から、結合領域 内の最小直径まで徐々にテーパー状になる。結合領域内のクラッドの直径は、結 合領域の外側のコアの直径に匹敵する。一方のファイバに沿って伝送される光は 、主に狭くなったクラッドを通ってファイバの結合領域を通過する。有用な第一 次近似として、狭くなったクラッドは、さらなる結合領域の光導波路のコアを形 成するものとして考えることができ、オーバークラッドが、そのような結合領域 導波路各々のクラッドを形成するものとして考えることができる。そのような一 つの結合領域導波路に沿って通過する光は、他のファイバの結合領域導波路まで に及ぶエバネッセントフィールドを有する。光は、そのような一つの導波路から 他方の導波路に伝わり、このようにして、結合領域内でファイバからファイバに 伝わる。米国特許第4,931,076号および同第5,011,251号に開示されているように 、オーバークラッドテーパー状カプラは、二つのファイバをオーバークラッド材 料の管内に密封し、この管を加熱し、ファイバ上に押しつぶし、全アセンブリを 引っ張って、ファイバを延伸させ、結合領域を形成するという方法により製造す る ことができる。 「融合ファイバ」カプラは、二つのファイバを融合させ、次いで、それらをテ ーパー状にすることにより作成することができる。融合ファイバカプラは、オー バークラッドカプラに関して上述したものと同様の様式で機能する。ファイバの クラッドの直径が十分に小さくなったときに、コアおよびクラッドの複合体は、 結合領域において導波路の光ガイド部分として機能し、それを包囲する空気は、 クラッドとして機能する。第一のファイバ内を伝搬する光エネルギーは、結合領 域導波路（第一のファイバの狭くなったクラッド）に結合される。第一のファイ バ内を伝わる光のエバネッセントモードフィールドは、これが第二のファイバの テーパー状の融合結合領域導波路に結合されるように、第一のファイバのテーパ ー状の融合結合領域導波路内で拡大する。 本発明の原理は、融合ファイバカプラおよびオーバークラッドカプラ両方に関 して用いることができる。 エバネッセントカプラ内で一方のファイバからもう一方に伝送されるエネルギ ー（power）の量は、光波長、通常「結合長さ」と称される、結合が生じる長さ 、および結合が生じる領域における光路の伝搬定数間の差を含む要因に依存する 。「伝搬定数」は、ある経路に沿った光の伝搬速度の尺度である。この伝搬定数 は通常記号βにより示され、一方で、エバネッセントカプラの結合領域内の伝搬 定数の差は通常Δβにより示される。以下詳細に論じるように、光導波路を通過 する光の伝搬定数は、コアの直径、コアとクラッドの屈折率、および光波長に依 存する。 カプラの光路が同一のファイバから形成される場合には、Δβはゼロである。 この場合、一方の光路から他方への光エネルギーの完全な（100％）結合が可能 である。米国特許第5,011,251号には、異なるファイバから作成された光路を備 えたテーパー状の無彩オーバークラッドカプラが教示されている。一方のファイ バは、高屈折率のコアおよび低屈折率のクラッドを有する標準的なファイバであ る。ある実施の形態において、他方のファイバは、高屈折率のコア、低屈折率の 外側クラッドおよびコアと外側クラッドとの間に配置された、外側クラッドの屈 折率より低い屈折率を有する薄い内側クラッドを備えた三層構造体であってもよ い。こ の構造体において、Δβはゼロではない。完全な光エネルギー伝送は不可能であ る。この現象は、米国特許第5,011,251号にしたがって作成されたカプラに用い られて、比較的広い範囲の波長に亘り一方の光ファイバからもう一方へと実質的 に一定の光の予め選択された部分を転送するカプラを提供する。 別のカプラは、波長選択性能を提供する。例えば、波長分割多重化送信方式に おいて、一つのファイバがわずかに異なるいくつかの波長で光を搬送するかもし れない。各々の波長は別々の情報の流れを搬送する。波長選択機器を、ファイバ が分岐して、ある波長をこのファイバのある分岐に方向付け、他の波長を他の分 岐に方向付ける地点で用いることができる。異なる通信顧客に属するいくつかの 送信器および／または受信器を波長選択カプラにより一つの主要ファイバに接続 することができる。各々のカプラは、狭いバンドの波長のみを、主要ファイバに 他の全ての波長を残しながら、主要ファイバと、特定の送信器または受信器に通 じるスパー(spur)ファイバとの間に結合するように適応される。特定の顧客に意 図した信号は、その顧客に関連する波長で送信される。 波長選択カプラは、二つの異なるファイバを使用することにより作成すること ができる。ファイバの直径および屈折率分布のような特性は、二つのファイバ中 の分散が異なるように各々のファイバ毎に選択される。「分散」は、波長に関す るβの変動である。このように、あるファイバは、波長により急激に変化するβ を有し（高分散）、一方で、他方のファイバは、波長により除々に変化するβを 有する（低分散）。ファイバの特性は、両方のファイバが所望の動作波長かまた はその近くで光に関して同一のβを有するように選択される。この場合、Δβは 、その動作波長辺りの狭いバンドパス内を除いて全ての波長で大きな値を有する 。これは、このパスバンドの外側の波長での結合を抑制する傾向にあり、そのた め、このパスバンド内の光のみが一方のファイバから他方へと結合される。 クラッドの直径が、前記所望のΔβを達成するのに用いられたファイバの差の うちの一つである場合、異なるクラッドは、ファイバが延伸されたときに異なる 直径の結合領域導波路を形成する。しかしながら、この手法には、少なくとも一 つのファイバが、通信システムのファイバに通常用いられている標準的なクラッ ドの直径とは異なるクラッドの直径を有することが含まれる。このことにより、 このシステムにおいて非標準ファイバを他のファイバに接続するのが実質的に非 常に難しくなる。 米国特許第4,976,512号には、標準ステップ型ファイバおよび「Ｗインデック ス型」ファイバを備えて、二つのファイバ間の狭帯域結合を達成する融合ファイ バカプラが教示されている。米国特許第4,976,512号のＷインデックス型ファイ バは、上述した米国特許第5,011,251号の三層ファイバのように、高屈折率のコ ア、低屈折率の外側クラッドおよびこの外側クラッドの屈折率よりも低い屈折率 を有する内側クラッドを備えている。しかしながら、この'512号の特許において 、内側クラッドは、かなりの厚さを有しており、急勾配の分散曲線を提供するよ うに、ファイバの分散特性に実質的に影響を与える。しかしながら、この'512号 の特許のＷインデックス型ファイバの屈折率の低下した領域のような、コアを囲 む、屈折率の低下したクラッド領域を有する光ファイバは、非断熱モード結合の ためにファイバのテーパー状領域内で光エネルギーを著しく失う。 したがって、本発明の目的は、過剰損失の低い狭帯域ファイバの光カプラを提 供することにある。 発明の概要 本発明のある態様は、少なくとも第一のファイバおよび第二のファイバを有す るテーパー状カプラを提供する。この第一のファイバは、第一ファイバのコアお よびこのコアを囲む第一ファイバのクラッドを有している。第二のファイバは、 少なくとも三層：コア、コアを囲む内側クラッドおよび内側クラッドを囲む外側 クラッドを備えている。各々のファイバは、端部領域およびこれら端部領域の間 に配置されたテーパー状結合領域を含む。端部領域において、各々のファイバは 、通常の完全な直径を有している。テーパー状結合領域においては、ファイバの コアおよびクラッドは、端部領域における対応する部材の直径よりも小さい直径 を有している。このテーパー状結合領域は、互いに隣接して並列して延在してい る。ファイバの結合領域は、空気、ガラス等のような周りを囲う媒体内に配置さ れる。 本発明によるカプラにおいて、第二のファイバは単調な屈折率分布を有してい る。すなわち、ファイバ内のどの位置の屈折率も常に、ファイバの中心により近 い位置での屈折率と同一であるか、それより小さい。内側クラッドの屈折率ｎ₂₂ はコアの最大屈折率ｎ₂₁未満であり、一方で、外側クラッドの屈折率ｎ₂₃はｎ₂₂ 未満である。第一のファイバは、好ましくは、ファイバの中心からファイバの周 囲に減少する単調屈折率分布を有しており、これは、最大コア屈折率ｎ₁₁および クラッド屈折率ｎ₁₂を有する標準ステップ型または勾配屈折率ファイバであって もよい。結合領域を囲む媒体の屈折率ｎ₃₀は、ｎ₂₃以下である。さらに、本発明 によれば、ｎ₂₂はｎ₁₂より大きく、ｎ₁₂はｎ₂₃よりも大きい。 特に好ましい実施の形態において、第二のファイバの内側クラッドは、結合領 域内において、第一のファイバのクラッドの直径より小さい直径を有している。 端部領域における第二のファイバの内側クラッドの直径は、同様に、端部領域に おける第一のファイバのクラッドの直径より小さくてもよい。最も好ましくは、 端部領域における第二のファイバの外側クラッドの直径は、第一のファイバのク ラッドの直径と実質的に等しい。両方のファイバの外径は、標準通信ファイバの 外径と等しくてもよい。また、両方のファイバのコアの直径は、その端部領域に おいて、互いに等しく、標準通信ファイバのコアの直径と等しくてもよい。これ らの特徴により、そのシステムにおける他のファイバへの接続が容易になり、こ のシステムにおける損失が最小となる。最も好ましくは、屈折率ｎ₃₀は、どの構 成部材においても最低の屈折率である。周りを囲む媒体の屈折率は、第一のファ イバのクラッドの屈折率よりも小さいべきである。有用な第一次近似として、第 一のファイバのテーパー状結合領域を通過する光は、導波路のクラッドとして機 能する包囲媒体により囲まれ、コアとして機能する、第一のファイバの狭くなっ たクラッドにより構成された第一の導波路を通過するものとして考えられる。第 二のファイバを通過する光は、このファイバの狭い外側クラッドおよび包囲媒体 材料により構成された複合体「クラッド」により囲まれた、コアとして機能する 、第二のファイバの内側クラッドにより構成された第二の導波路を通過するもの として考えられる。典型的に、第二のファイバの外側クラッドが包囲媒体の屈折 率に近い屈折率を有する場合には、この複合体クラッドは包囲媒体自体と実質的 に同一の特性を有する。したがって、ファイバの並列した結合領域および包囲媒 体は、コアの直径が異なる導波路を備えたエバネッセントカプラを形成する。 本発明によるフィルタは、包囲媒体およびファイバの結合領域を曲げることに より調整することができる。並んだファイバの平面においてある方向への曲げは 、動作波長を上方にシフトさせ、一方で、その反対方向への曲げは、動作波長を 低下させる。 本発明のさらなる態様は、第一と第二のファイバを有するオーバークラッドカ プラであって、このファイバの各々が一組の端部領域およびそれら端部領域の間 に配置されたテーパー状結合領域を有し、この結合領域が互いに隣接して並列し て延在しているカプラを提供する。このカプラは、結合領域を囲む包囲媒体を備 えている。第一と第二のファイバは、最も好ましくは、それらの端部領域におい て同一の外径を有する。第一と第二のファイバの各々は、コアおよび一つ以上の クラッドを有する。各々のファイバのクラッドは、単調に減少する屈折率分布を 有している。すなわち、この屈折率は、一定のままであるか、またはファイバの 中心からの距離とともに減少する。この屈折率は、クラッドのどの位置でもファ イバの中心からの距離により増大しない。クラッドの屈折率分布は互いに異なる 。最も好ましくは、第一のファイバにおけるクラッドの屈折率分布は、例えば、 上述した第一のファイバの一つのクラッド層により提供される一定（ゼロ傾斜） の屈折率分布のように、ファイバの中心からの距離による平均変化率が小さい。 第二のファイバのクラッドの屈折率分布は、望ましくは、ファイバの中心からの 距離による屈折率の平均変化率が大きい。好ましくは、第二のファイバのクラッ ドのコアの境界での屈折率は、第一のファイバのクラッドのコアの境界での屈折 率よりも大きい。上述した第二のファイバの多層クラッドは、これらの条件を満 たしている。 以下さらに論じるように、この態様は、第一のファイバの結合領域により形成 された導波路とは異なる分散特性を有する、第二のファイバにより形成された結 合領域導波路を提供する。これらの異なる分散特性は、前記所望の動作波長と交 わる。この動作波長で、βは両方の導波路に関してほぼ等しい。他の波長では、 一方の導波路のβは、他方の導波路のβとは実質的に異なる。これら二つの導波 路の異なる分散特性は、上述したようなカプラの選択性を大幅に向上させ、した がって、動作波長辺りの狭いパスバンドにおいてのみ、実質的な結合が生じる。 好ましくは、結合長さは、結合が、動作波長での極大またはその近くであるよう に選択されている。上述したように、そのような構造体により、光を動作波長で 一方のファイバからもう一方に選択的に転送させ、光を他の波長で、それがそこ から進入した同一のファイバ上の構造体に通過させる有効な狭帯域波長選択フィ ルタを提供する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明のある実施の形態によるカプラを示す断面図である。 図２は、図１の線２−２に沿った正面図である。 図３は、図１の線３−３に沿った断面図である。 図４は、様々な構成部材の屈折率を示すグラフである。 図５は、導波路のＶパラメータの関数として基本モードの実効屈折率における 変動を示すグラフである。 図６は、図１−４の機器における波長による実効屈折率の変動を示すグラフで ある。 図７は、本発明のある実施の形態による機器の理論性能を示す結合比対実効屈 折率のグラフである。 図８は、曲げを含む条件下の、本発明のさらなる実施の形態によるカプラの性 能を示す一連のグラフである。 図９は、カプラの製造に用いられる機器の正面図である。 図１０−１２は追加の屈折率分布を示している。 図１３は、特定の実施例に用いられた光ファイバの屈折率分布である。 図１４は、その実施例のカプラの結合エネルギー対波長のグラフである。 好ましい実施の形態の詳細な説明 図１の実施の形態によるカプラは、第一の端部領域40、第二の端部領域42およ びこれらの端部領域の間に配置されたテーパー状結合領域44を含む。ファイバ10 は、屈折率ｎ₁₁のコア11およびコアを囲む屈折率ｎ₁₂のクラッド12を備えた従来 のステップ型ファイバである。端部領域40および42において、そのファイバが完 全な、非延伸または非変形直径を有する場合には、コアおよびクラッドは、それ ぞれ、外径ｄ₁₁およびｄ₁₂を有する（図２）。テーパー状結合領域44において、 コアおよびクラッドは、伸ばされまたは「延伸」され、したがって、実質的に小 さい直径を有する。したがって、ファイバ10の結合領域における延伸コア11'は 、ｄ₁₁より実質的に小さい最小直径ｄ’₁₁（図３）を有し、一方で、結合領域内 のクラッド12'は、直径ｄ₁₂よりも実質的に小さい最小直径ｄ’₁₂を有している 。 第二のファイバ20は、外側クラッド23により囲まれた内側クラッド22により囲 まれたコア21を備えている。第二のファイバ20は、第一の端部領域46、第二の端 部領域48およびこれらの端部領域46と48の間に配置されたテーパー状結合領域50 も含む。端部領域において、ファイバ20は、通常の変形されていない直径を有し ており、コア、内側クラッドおよび外側クラッドは、それぞれ、外径ｄ₂₁、ｄ₂₂ およびｄ₂₃を有している。ここでも再度、結合領域50において、ファイバは減少 した直径を有している。したがって、コア21'は、端部領域におけるコアの直径 ｄ₂₁より実質的に小さい直径ｄ’₂₁を有している。結合領域50内の内側クラッド の最小直径ｄ’₂₂は、内側クラッドの変形されていない端部領域の直径ｄ₂₂より も実質的に小さく、一方で、外側クラッドの最小直径ｄ’₂₃は、同様にｄ₂₃より も小さい。この開示において用いられている「最大延伸比」という用語は、端部 領域内のファイバ部材の通常の変形されていない直径の、ファイバの結合領域内 の同一のファイバ部材の最小直径に対する比率を意味する。好ましくは、ファイ バ10および20の全ての部材の最大延伸比は同一である。したがって、 ｄ₁₂／ｄ’₁₂＝ｄ₂₂／ｄ’₂₂＝最大延伸比 （1） 最も好ましくは、端部領域内の二つのファイバの最外径ｄ₂₃およびｄ₁₂は、互い に同一であり、標準通信ファイバの外径と等しい。したがって、第二のファイバ の内側クラッドの端部領域の直径ｄ₂₂は、第一のファイバのクラッドの端部領域 の外径₁₂よりも小さい。両方のファイバが同一の最大延伸比を有する場合、この 関係は結合領域において維持される、すなわち、ｄ’₂₂＜ｄ’₁₂である。 ファイバは並列に配置され、したがって、結合領域44および50は互いに隣接し て並列して延在する。これら結合領域は、空気、ガラスまたは他の材料のような オーバークラッド30により囲まれている。様々な部材の屈折率が図４に示されて いる。この議論に関して、ファイバ10および20はステップ型屈折率分布を有する ものとする。第一のファイバのクラッド12の屈折率ｎ₁₂は、第一のファイバのコ アの屈折率ｎ₁₁より小さいが、オーバークラッド30の屈折率ｎ₃₀より大きい。フ ァイバ20は、ステップ型に単調に減少する屈折率分布を有する。したがって、第 二のファイバのコアの屈折率ｎ₂₁は、内側クラッドの屈折率ｎ₂₂よりも大きく、 この屈折率ｎ₂₂は外側クラッドの屈折率ｎ₂₃よりも大きい。外側クラッドの屈折 率ｎ₂₃は、オーバークラッドの屈折率ｎ₃₀よりわずかに大きくても、等しくても 差し支えない。好ましくは、両方のファイバ、およびオーバークラッドは、様々 な部材の屈折率を変更する従来の添加剤とともに、シリカベースのガラスのよう なガラスから完全に作成されている。例えば、コア11および21は、ゲルマニアが ドープされたシリカベースのガラスから形成されていてもよい。クラッドは、よ り少量のゲルマニアを含有してもよく、屈折率を低下させるドーパントとしてフ ッ素またはホウ素を含んでもよい。第一のファイバのクラッド12は、好ましくは 、純粋なＳｉＯ₂から形成されている。米国特許第5,011,251号に開示されている ように、Ｂ₂Ｏ₃および／またはフッ素は、オーバークラッドとして用いられるシ リカベースのガラスの屈折率を低下させる特に有用なドーパントである。この文 献をここに引用する。以下に論じるように、様々な部材の直径および屈折率、並 びに延伸比は、所望の性能を提供するように選択される。しかしながら、約1200 ｎｍから約1600ｎｍまでの波長範囲で動作することを意図し、狭帯域フィルタ作 用を提供することを意図したカプラに関しては、典型的なパラメータは以下のと おりである： ｄ₁₂およびｄ₂₃は約125μｍ（それほど一般的ではなく約80μｍ）； ｄ₁₁およびｄ₁₂は約２μｍから約10μｍまで； ｄ₂₂は約20μｍから約100μｍまで； （ｎ₁₁−ｎ₁₂）／ｎ₁₁は約0.3％から約2.0％まで； （ｎ₂₁−ｎ₂₂）／ｎ₂₁は約0.2％から約2.0％まで； （ｎ₂₂−ｎ₂₃）／ｎ₂₁は約0.1％から約0.6％まで； （ｎ₂₃−ｎ₃₀）／ｎ₂₁は約０から約0.6％まで。 屈折率の内の一つが分かっている場合には、他の屈折率を決定することができる 。これは、図１３に関する後の議論から明らかとなるはずである。 端部領域40および42は、第一のファイバ10の反対の端部でカプラの第一と第二 のポートを形成し、一方で、端部領域46および48は、第二のファイバ20の反対の 端部でそれぞれ第三と第四のポートを形成する。ファイバの一方の端部でポート を通って進入した光は、そのファイバのコアに沿って、そのようなファイバの結 合領域およびオーバークラッドにより構成された結合領域導波路中を通過する。 そのような導波路の各々は、ファイバのクラッドおよびオーバークラッド30を備 えている。例えば、第一のポート40を通って進入した光は、コア11を通って、結 合領域44内のコア11'、クラッド12'およびオーバークラッドにより構成された結 合領域導波路中を通過する。この導波路に沿って通過する光は、結合領域44内の コア21'、クラッド22'および23'並びにオーバークラッド30により構成された第 二の導波路に結合され、次いで、この導波路から第二のファイバのコア21中に通 過し、ポート48から出ることができる。あるいは、第一のポート40を通って進入 した光は、第一の結合領域導波路内に留まり、第一のコア11に戻り、第一のファ イバの反対の端部で第二のポート42を通ってカプラから出てもよい。光が第二の ファイバ中に結合される度合いは、結合領域導波路の特性に依存する。包囲媒体 内の平行導波路の間の結合度を決定する関係が、例えば、Parriaux等の、「Wave length-Selective Distributed Coupling Between Single Mode Optical Fibers for Multiplexing」、J．Optical Comun．2（1981）3，105-109に述べられてい る。手短に言うと、結合度は、二つの導波路に沿って伝わる光の伝搬定数間の差 に強く依存する。そして、二つの導波路の伝搬定数は、「実効屈折率」として知 られているパラメータまたは以下の関係式によるｎ_effに直接的に関連する β＝ｋ₀ｎ_eff （2） ここで、ｋ₀は光の自由空間伝搬定数であり、２π／λに等しく、ｎ_effは実効屈 折率である。同様に、実効屈折率は、正規化周波数あるいはＶと称されるパラメ ータに依存する： Ｖ＝２πａ／λ（ｎ_i ²−ｎ_o ²）^1/2 （3） ここで、 ａは導波路内のコアの半径であり、 ｎ_iは導波路内のコアの屈折率であり、 λは光波長であり、 ｎ_oはクラッドまたは周囲媒体の屈折率である。 ファイバ10のような単一ステップ型ファイバの関するＶと実効屈折率との間の 関係が、よく知られたモードチャートに関して見つけることができる。そのよう なモードチャートの一つが、Keck，Optical Fiber Waveguides in Fundamentals of Optical Fiber Communications，Second Edition，Baronski，ed，New York ，1981，p.81に見られる。伝搬定数βは、既知の技術を用いて任意の導波路につ いて計算してもよい（A.W.SnyderおよびJ.D.Love，Optical Waveguide Theory， Chapman and Hall，New York，1983を参照のこと）。基本モード（単一モード光 ファイバ系に関して重要なモード）における光の伝搬の関係が図５にグラフで示 されている。実効屈折率ｎ_effは、約１未満のＶ値ではクラッドの屈折率ｎ_oとほ ぼ等しく、約５より大きいＶ値ではコアｎ_iの屈折率とほぼ等しい。第一のファ イバ10の結合領域およびオーバークラッド30により構成された第一の導波路12' に関して、ｎ_iはほぼクラッド12の屈折率のｎ₁₂であり、一方で、ｎ_oはオーバー クラッドの屈折率のｎ₃₀である。第二のファイバの結合領域により形成された第 二の導波路22'に関して、ｎ_iはほぼｎ₂₂であり、一方で、ｎ_oは約ｎ₃₀である。 このように、ｎ_effは、第一の導波路12'に関するよりも、第二の導波路22'に関 してのほうが、より広い範囲に亘り変動する。また、導波路22'の直径は導波路1 2'の直径よりも小さいので、方程式(3)のａの値は導波路12'に関するよりも導波 路22'に関するほうが小さい。これらの差の正味の影響は、約１未満から約５ま でのＶ値の変動が、導波路22'に関して、導波路12'に関するものとは異なる範囲 の波長に亘り生じることである。図６に示したように、ｎ_effの曲線、およびβ の曲線が、特に波長λ₀で互いに交差する。導波路の直径および屈折率のような パラメータの所定の組合せに関して、λ₀は、各々の導波路に関してλの範囲に 亘りＶを計算し、上述した計算技術を用いて各々のλで各々の導波路に関するｎ_eff 値を決定し、各々の導波路に関するｎ_eff対λの曲線をプロットして、交点を 見つけることにより決定することができる。あるいは、この工程を、適切なλ₀ 値が見つかるまで、様々なパラメータの組合せについて繰り返しても差し支えな い。 λ₀とは著しく異なるλ値で、導波路12から第二の導波路22には実質的に全く 光が結合されず、第一のポート40を通ってファイバ12を通過する光の実質的に全 てが、第二のポート42から排出される。λ₀の近傍にあるλ値に関して、カプラ の作用は、上述した'251特許および上述したA.W.SnyderおよびJ.D.Loveの協定に 述べられているように、結合されたモード理論により説明することができる。こ の理論によれば、オーバークラッドカプラのモードフィールドは、他の導波路の ない状態で導波路12'および22'の各々の基本モードψ₁およびψ₂の線形組合せで ある、すなわち、導波路は、屈折率がｎ₃₀のオーバークラッドにより囲まれてい るだけである。モードフィールドおよび伝搬定数は、そのような構造体について 正確に決定することもできる［M.J.Adame，An Introduction to Optical Wavegu ides］。 二つの導波路の間の光結合を説明する結合定数Ｃは、重なりの積分として記載 することができる： Ｃ＝∫ψ₁（ｒ）ψ₂（ｒ’）（ｎ−ｎ’）ｄＡ （4） この方程式において、ψ₁およびψ₂は、二つの導波路のモードフィールドであり （各々は、オーバークラッドにより置き換えられた他の導波路について計算され る）、ｒおよびｒ’は、それぞれ、導波路のことの中心からの半径距離であり、 ｎはカプラ全体の屈折率構造であり、ｎ’は屈折率ｎ３０のオーバークラッド材 料により置き換えられた導波路22についての屈折率構造であり、積分はカプラの 全断面に亘るものである（しかし、ｎ−ｎ’は導波路12'に亘りゼロではない） 。モードフィールドは、この方程式において正規化される、すなわち、積分∫ψ₁ ² ｄＡおよび∫ψ₂ ²ｄＡが両方とも１と等しいとみなす。 これらはテーパー状機器であるけれども、それらの挙動は、一定延伸比が、所 定の結合長さｚに亘り最大延伸比と等しく、この長さの外側では結合が生じない ものとすることにより、ほぼモデル化される。この近似は、結合定数が急激に増 大する延伸比の関数であるので良好に機能し、したがって、カプラの挙動は、最 高延伸比での挙動により支配される。この近似を用いると、第一と第二のファイ バ間の第一のポート40を通って進入するエネルギーの分布は、 Ｐ₁₀＝１−Ｆ²ｓｉｎ²（Ｃｚ／Ｆ） （5） および Ｐ₂₀＝Ｆ²ｓｉｎ²（Ｃｚ／Ｆ） （6） により与えられ、 ここで、係数Ｆは、 Ｆ＝［１＋（β_12'−β_22'）／２Ｃ）²］^1/2 （7） により与えられる。 上述した式において、β_12'およびβ_22'は、それぞれ、導波路12'および22'の 伝搬定数である。Ｐ₁₀は、第一のファイバ10内に留まり、ポート42を通って排出 されるポート40でのファイバ10への入力の比率である。Ｐ₂₀は、ファイバ20に移 送され、ポート48を通って排出されるポート40での入力の比率である。好ましく は、結合長さｚは、β_12'＝β_22'である場合、Ｐ₂₀が動作波長λ₀で最大である ように選択される。テーパー状カプラを数値的にモデル化して、その動作をより 完全に説明することができる。 図７は、本発明による狭帯域フィルタ特性カプラの一つの典型的な数値的に計 算した応答曲線を示している。λ₀、この場合1550ｎｍで、Ｐ₂₀は約1.0または10 0％であり、すなわち、ポート40に進入する実質的に全ての光が、第二のファイ バに移送され、ポート48を通って排出される。ポート48からの出力は、λ₀とは 異なる波長では急激に低下する。したがって、このカプラは、λ₀に中心を置く 狭いパスバンド内の波長のみをポート48に通過させ、他の波長はポート42に移送 させる。高波長振動（λ₀より長い波長での）は、モデル化機器のテーパー部の ために、λ₀の変化から生じる。 カプラの特性は、結合領域により定義されたオーバークラッドおよび導波路を 、並列結合領域の平面で横に曲げることにより変更することができる。したがっ て、図１に示したように、カプラを図面の平面に対応する平面で位置32または位 置34に曲げることができる。反対方向の曲げは、バンドパスを反対方向にシフト させる。このように、図８の正の曲げ半径により示される、位置34に向かう方向 の曲げは、その機器のピーク結合波長、したがって、光を第二のファイバに結合 させるパスバンドをより短い波長にシフトさせる。その反対方向の曲げは、図８ に負の曲げ半径により示したように、第二のファイバに結合される光のパスバン ドをより長い波長にシフトさせる。したがって、このカプラは調整可能である。 以下の実施の形態による機器は、米国特許第4,799,949号、同第5,011,251号、お よび同第5,295,211号に開示された方法により製造しても差し支えない。これら の開示 をここに引用する。好ましくは、この機器は、第一のファイバ10および第二のフ ァイバ20（いかなる高分子コーティングも除去されている）をオーバークラッド ガラス219の管の内腔218中に挿入して、カプラプレフォーム231（図９）を形成 することにより形成される。この内腔は、各々の端部に漏斗部（図示せず）を設 けて、ファイバの挿入を容易にすることができる。プレフォーム231をリングバ ーナー234を通して挿入し、留め金で留めて、モータ制御されたステージ245およ び246上に取り付けられた掴み部232および233を延伸させる。ファイバは真空結 合装置241および241'に通され、次いで、これら結合装置がプレフォーム231の端 部に密閉される。典型的な真空結合装置が上述した米国特許第5,011,251号に開 示されている。真空は、ライン242を通して管241からひかれる。所定の長さの薄 いゴム管243の一方の端部か、プレフォーム231の反対の真空結合装置241の端部 に取り付けられる。この管の残りの端部は、管掴み手段（図示せず）内に延在す る。上側の真空結合装置241'が同様にライン242'、管243'および管掴み手段に関 連付けられている。ファイバの一部が管243および243'から延在している。空気 圧が、矢印244、244'により示されるように、管243および243'に対して向けられ ると、管をその中を通って延在するファイバに対して掴んで、ライン242および2 42'を通してオーバークラッド管の内腔が真空排気される。 プレフォームを掴み部232および233に取り付け、管の内腔を真空排気した後、 この管を一方の端部近くで加熱して、その中央領域をファイバ上に潰す。 その後、カプラを、管の所定の領域を加熱し、コンピュータ制御されたステー ジ245および246を反対方向に移動させて、加熱された領域を延伸することにより 形成する。この加熱領域が延伸されるときに、加熱領域に配置されたファイバの それらの部分がオーバークラッド管とともに延伸され、それによって、結合領域 44および50（図１）を形成する。この管延伸操作は、米国特許第5,011,251号に したがって実施することができる。 管を延伸してカプラを形成している間に、光エネルギーを入力光ファイバに結 合させ、出力信号をモニタして、カプラ製造工程における加工段階を制御するこ とができる。あるいは、試行装置を、この段階内の試行延伸距離を用いて製造し 、最適延伸距離を測定により決定することもできる。オーバークラッドファイバ 光 学カプラに関する以前の経験において、各々のカプラの形成中の両方の段階に関 する全延伸距離は、通常、10mmから30mmまでの間であった。 両方のファイバが標準的な光ファイバの外径とコア直径と等しい外径およびコ ア直径を有する端部領域を有するので、カプラは、標準的な光ファイバ系中に容 易に接続することかできる。四つのポート40、42、46、48全てがファイバに接続 された状態にあるカプラが図１に示されているが、多くの用途では、三つのポー トのみが必要とされ、一つのポートが未使用のままである。未使用のポートから の望ましくない反射を最小にするために、その未使用のポートに、米国特許第4, 979,972号に教示された低反射率端末を設けてもよい。手短に言うと、未使用の ファイバの端部を加熱し、引っ張り、これを切断し、そしてさらに加熱して、元 の外径と等しいかまたはそれよりわずかに小さい直径を有する端面でボウル状の 棒をガラスに形成させる。 以下の特定の実施例は、本発明によるファイバ光カプラの製造方法を説明する もである。 このカプラ用のファイバは、米国特許第4,486,212号および同第5,295,211号（ これらをここに引用する）に開示された方法により製造することができる。それ らのファイバは、125μｍの外径を有し、ウレタンアクリレートで被覆されてい た。 ファイバ10は、8.5重量％のＧｅＯ₂がドープされたＳｉＯ₂のコアおよびＳｉ Ｏ₂のクラッドを備えた、ステップ型の単一モード通信用光ファイバであった。 ファイバ20の屈折率分布が図１３に示されている。ファイバ20は、約18重量％ のＧｅＯ₂がドープされたＳｉＯ₂のコア21、約3重量％のＧｅＯ₂がドープされた ＳｉＯ₂のクラッド22および約1重量％のフッ素がドープされたＳｉＯ₂のクラッ ドを有する三層ファイバであった。これら二つのファイバの寸法および屈折率の 関係は以下の通りである： ｄ₁₂およびｄ₂₃は約125μｍであり、 ｄ₁₁は約8.3μｍであり、 ｄ₂₁は約10μｍであり、 ｄ₂₂は約31μｍであり、 （ｎ₁₁−ｎ₁₂）／ｎ₁₁は約0.36であり、 （ｎ₂₁−ｎ₂₂）／ｎ₂₁は約0.75％であり、 （ｎ₂₂−ｎ₂₃）／ｎ₂₂は約0.45％であり、 （ｎ₂₃−ｎ₃₀）／ｎ₂₃は約0.05％であり、 （ｎ₂₂−ｎ₁₂）／ｎ₁₂は約0.19％である。 ファイバ10の純粋なＳｉＯ₂クラッドの屈折率ｎ₁₂は約1.458である。 ガラス毛管30は、3.8ｃｍの長さおよび2.8ｍｍの外径を有していた。内腔は、 ダイアモンド造形されていた。ダイアモンドの各々の側面は、約310μｍの長さ を有していた。この毛管は、8.0重量％のＢ₂Ｏ₃がドープされたシリカからなる ものであった。漏斗部（図示せず）が毛管の各々の端部に形成されて、ファイバ 挿入工程を容易にした。 約2.8ｃｍの長さのコーティング部分を一方のファイバの中央領域から除去し て、「中央剥取り」ファイバを形成した。他方のファイバの端部から６ｃｍ長の コーティング部分を除去して、「端部剥取り」ファイバを形成した。ファイバの 端部を引っ張り、切断して、テーパー状端部を形成しなから、剥取り領域の中央 に火炎を向けることにより、抗反射末端を端部剥取りファイバの端部に形成した 。このファイバの先端をバーナーの火炎で加熱して、ガラスを後退させ、丸い端 面を形成した。得られた剥取り端部領域は、約3.2ｃｍ長であった。 中央剥取りファイバを、被覆されていない部分が管の端部の中間に配置される まで内腔に通した。端部剥取りファイバを、その被覆部分が漏斗部内に配置され るまで内腔に通した。 形成されたカプラプレフォーム231を上述した様式で図９の機器内のカプラ中 に形成した。管延伸工程中、掴み部232および232'が反対方向に移動して、毛管 の元の長さと比較して、約３ｃｍだけカプラの長さの全体で増大した。 このカプラを冷却した後、真空ラインをカプラから除去し、少量の接着剤を毛 管の各々の端部に塗布し、紫外線への露出により硬化させた。次いで、カプラを 延伸装置から取り外した。 この実施例にしたがって形成したカプラの結合エネルギー対波長のグラフが図 １４に示されている。 上述した特徴の様々な変更例および組合せを本発明から逸脱せずに用いること ができる。例えば、第二のファイバは二つより多いクラッド層を有し、第一のフ ァイバが一つより多いクラッド層を有しても差し支えない。さらに、上述した実 施の形態に用いたファイバはステップ型ファイバであるけれども、本発明を勾配 屈折率ファイバに適用することもできる。したがって、ファイバのコアは、コア の中心からの距離が増大するとともに累進的に減少する屈折率を有していても差 し支えない。図１０は、勾配屈折率コアを有する三層ファイバを示しており、図 １１は、勾配屈折率コアを有する二層コアを示している。図１１の屈折率分布は 、1550ｎｍでゼロ分散を示す、典型的な市販されている分散シフトファイバを示 している。このファイバのコアは、低下した屈折率の領域22により、外側環21か ら隔てられた中央コア領域20を備えている。このコアの中央三角領域Ｃの直径は 約7.20μｍであり、コアの環Ｒの内径は約10.08μｍである。環Ｒの外径（した がって、ファイバのコアの直径）は約12.94μｍである。領域ＣおよびＲのピー ク屈折率値（Δ_pで表される）は、それぞれ、0.9％および0.3％である。記号Δ_p は、クラッドの屈折率に関するコアの相対的屈折率であり、 Δ_p＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）／２ｎ₁ ² により与えられる。 ファイバのコア以外の部分が、勾配屈折率分布を有していても差し支えない。 図１２において、内側クラッドの屈折率分布が勾配している。 また、本発明を、Ｍが１以上であり、Ｎが２以上である「Ｍ×Ｎ」カプラに適 用しても差し支えない。光が、一つ以上の入力ファイバと、二つ以上の出力ファ イバとの間で同時に結合されるか、またはいくつかの入力ファイバから一つ以上 の出力ファイバに同時に結合される。例えば、米国特許第5,351,325号に記載さ れているように、そのようなカプラは、一つの中央ファイバを囲む複数の周囲フ ァイバを備えていてもよい。一つ以上の周囲ファイバ、または中央ファイバは、 多層ファイバであっても差し支えなく、したがって、周囲ファイバは中央ファイ バとは異なる屈折率分布を定義する。本発明によるカプラを、マッハ・ツェンダ ー干渉計のような干渉機器に組み込んでも差し支えない。マッハ・ツェンダー干 渉計は、異なる光路長を有する複数の光路、すなわち、異なる伝搬定数、異なる 物 理的長さ、または両方を有するファイバにより接続された二つのカプラを備えて いる。一つのカプラに進入する光は、それら光路間で分割され、他方のカプラで 再結合される。例えば、米国特許第5,295,205号に記載したように、マッハ・ツ ェンダー干渉計は、一つの一体ガラス管を用いて、二つの間隔の置かれたテーパ ー状オーバークラッドカプラのオーバークラッドを形成し、カプラを接続するフ ァイバを包囲するハウジングを形成することにより製造することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，Ａ Ｕ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ， ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも第一と第二のファイバを備えたファイバ光学カプラであって、 （ａ）前記第一のファイバが、最大屈折率ｎ₁₁の第一のファイバのコアおよび 該コアを囲む屈折率ｎ₁₂の第一のファイバのクラッドを有し、該第一のファイ バが端部領域および該端部領域の間に配置されたテーパー状結合領域を有し、 （ｂ）前記第二のファイバが、最大屈折率ｎ₂₁の第二のファイバのコア、該第 二のファイバのコアを囲む屈折率ｎ₂₂の内側クラッド、および該内側クラッド を囲む屈折率ｎ₂₃の外側クラッドを有し、該第二のファイバが端部領域および そのような端部領域の間に配置されたテーパー状結合領域を有し、前記第一と 第二のファイバの結合領域が互いに隣接して並列して延在し、 （ｃ）屈折率ｎ₃₀の媒体が前記ファイバの結合領域を囲み、 ここで、 ｎ₂₁＞ｎ₂₂＞ｎ₂₃； ｎ₂₃≧ｎ₃₀；および ｎ₂₂＞ｎ₁₂＞ｎ₂₃ であることを特徴とするカプラ。 ２．前記媒体内の第一のファイバのテーパー状結合領域が第一の結合領域導波路 を定義し、該媒体内の第二のファイバのテーパー状結合領域が第二の結合領域 導波路を定義し、該第一の結合領域導波路を通過する光の伝搬定数β_12'を波 長λに関連付ける該第一の結合領域導波路の分散特性が、前記第二の結合領域 導波路を通過する光の伝搬定数β_22'を波長λに関連付ける該第二の結合領域 導波路の分散特性とは異なることを特徴とする請求の範囲第１項記載のカプラ 。 ３．前記結合領域導波路の分散特性が、動作波長λ₀でのみβ_12'＝β_22'となる ように選択されることを特徴とする請求の範囲第２項記載のカプラ。 ４．前記結合領域導波路の分散特性が、λ＜λ₀の場合、β_12'＞β_22'となり、 λ＞λ₀の場合、β_12'＜β_22'となるように選択されることを特徴とする請求 の範囲第３項記載のカプラ。 ５．前記第二のファイバ結合領域内の第二のファイバの内側クラッドの直径がｄ_22'であり、前記第一のファイバ結合領域内の第一のファイバのクラッドの直 径がｄ_12'であり、ｄ_22'＜ｄ_12'であることを特徴とする請求の範囲第１項記 載のカプラ。 ６．前記第一のファイバのクラッドがその端部領域で端部領域直径ｄ₁₂を有し、 前記第二のファイバの外側クラッドが該第二のファイバの端部領域で端部領域 直径ｄ₂₃を有し、ｄ₁₂がｄ₂₃と実質的に等しいことを特徴とする請求の範囲第 １項記載のカプラ。 ７．前記第一のファイバのテーパー状結合領域および端部領域が第一の延伸比を 有し、前記第二のファイバの第二のテーパー状結合領域および端部領域が前記 第一の延伸比と等しい延伸比を有することを特徴とする請求の範囲第６項記載 のカプラ。 ８．前記第一のファイバのコアがその端部領域で端部領域直径ｄ₁₁を有し、前記 第二のファイバのコアが該第二のファイバの端部領域で端部領域直径ｄ₂₁を有 し、ｄ₁₁がｄ₂₁と実質的に等しいことを特徴とする請求の範囲第６項記載のカ プラ。 ９．ｎ₁₁がｎ₂₁と実質的に等しいことを特徴とする請求の範囲第８項記載のカプ ラ。 10．ｎ₂₃＞ｎ₃₀であることを特徴とする請求の範囲第１項記載のカプラ。 11．屈折率ｎ₃₀の前記周囲媒体がガラスであることを特徴とする請求の範囲第１ 項記載のカプラ。 12．屈折率ｎ₃₀の前記周囲媒体が空気であることを特徴とする請求の範囲第１項 記載のカプラ。 13．前記第一と第二のファイバを曲げる手段を備えていることを特徴とする請求 の範囲第１項記載のカプラ。 14．前記少なくとも第一と第二のファイバがＮ＞２であるＮ本のファイバを含み 、該ファイバの内の少なくとも一つが前記第二のファイバの屈折率特性を有す ることを特徴とする請求の範囲第１項記載のカプラ。 15．前記カプラが一つのファイバを囲む複数のファイバを備えていることを特徴 とする請求の範囲第14項記載のカプラ。 16．前記第一と第二のファイバが二つのテーパー状結合領域を有し、それによっ て、前記カプラが干渉計として機能することを特徴とする請求の範囲第１項記 載のカプラ。 17．少なくとも第一と第二のファイバを有するオーバークラッドカプラであって 、該ファイバの各々が一組の端部領域および該端部領域の間に配置された少な くとも一つのテーパー状結合領域を有し、該結合領域が互いに隣接して並列し て延在し、前記カプラが該結合領域を囲むオーバークラッドを備え、前記第一 と第二のファイバが前記端部領域で同一の外径を有し、該第一と第二のファイ バの各々がコアおよび一つ以上のクラッドを有し、該ファイバの各々の一つ以 上のクラッドが単調に減少する屈折率分布を有し、該クラッドの屈折率分布が 互いに異なり、前記ファイバのテーパー状結合領域が第一と第二の導波路を形 成し、該第一の導波路を通過する光の伝搬定数β_12'を波長λに関連付ける該 第一の導波路の分散特性が、前記第二の導波路の伝搬定数β_22'をλに関連付 ける該第二の導波路の分散特性とは異なり、該導波路の分散特性が動作波長λ ₀でのみβ_12'＝β_22'となるように選択されることを特徴とするカプラ。 18．前記端部領域において、前記第一と第二のファイバのコアが実質的に同一の 直径を有することを特徴とする請求の範囲第17項記載のカプラ。 19．前記分散特性が、λ＜λ₀の場合、β_12'＞β_22'となり、λ＞λ₀の場合、β _12'＜β_22'となるように選択されることを特徴とする請求の範囲第17項記載の カプラ。