(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の屈折率を有する材料で作成されたコアと、前記コアの屈折率より小さい屈折率を有する、前記コアを包囲するクラッド層とを有するある長さの光ファイバから構成される光ファイバデバイスを含む装置であって、
前記ある長さの光ファイバの所定の部分のコアに近接して前記クラッド層内に配置される少なくとも１つの可変屈折率領域を含み、前記可変屈折率領域の屈折率は、前記クラッド層の屈折率より大きく前記コアの屈折率より小さくさせられることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記光ファイバデバイスは減衰器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
複数の可変屈折率領域が前記クラッド層内に配置されており、前記複数の可変屈折率領域の各々の屈折率は、前記クラッド層の屈折率より高く前記コアの屈折率より低くさせられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記クラッド層の屈折率とは異なる屈折率を有する第２のクラッド層を前記クラッド層の周囲にさらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ある長さの光ファイバを保護する外側ポリマー層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの可変屈折率領域は、ドーピング剤をドープしたガラスで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記可変屈折率領域内で前記ドーピング剤の濃度を変更して１つあるいはそれ以上の屈折率の勾配を規定することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
コアの中心と前記少なくとも１つの可変屈折率領域の外側端部との間の距離は、モードフィールドの直径以下であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置を含む光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は屈折率を変化させるためにコアの周囲に可変屈折率（ＶＲＩ:variable reflactive index）領域を有する光ファイバ構造に関し、特に光学通信システムの可変減衰器を提供する光ファイバ構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバは、公知のものであり、現在の通信システムで多くのアプリケーションに用いられている。通常の光ファイバ通信システムを例えば図１Ａに示す。このシステムは、光学信号源である送信機１０と、この信号源に接続された光学パス１２と、この光学パス１２（通常、光ファイバ）に接続され、信号を受信する受信機１４とを有する。増幅器１６ａ，１６ｂが送信された信号を増幅するために、光ファイバに沿って配置されている。フィルタおよび減衰器がこのシステムにとって様々な信号のパワーレベルを変化させるために有効であり、特に波長分割多重システムにおいては、信号の変調と波長のルーティングを行うために有益である。
【０００３】
図１Ａの光学パス１２（通常、光ファイバ）は、ある屈折率を有する誘電体材料から形成された内側のコアとこのコアを包囲するクラッド層とを有する。クラッド層はコアよりも屈折率が低い材料で構成されている。コアの屈折率がクラッド層の屈折率以上である限り、コアに沿って伝播する光ビームは内部反射を繰り返し、そしてコアの長さ方向に沿って導波される。
【０００４】
従来の光ファイバは、大部分の光をコア領域に閉じこめるため、このような従来の光ファイバにおいては、光ファイバのコア内に光の伝播を行うための機能は極めて限られていた。従来の光ファイバにおいては、コア内の光の伝播特性を変化させるため、あるいは信号を減衰させるためには、ある限られた構成が用いられている。通常、温度および／または歪みの変化を用いることである。
【０００５】
これに関しては、米国特許第５，３２１，７９０号は、光ファイバを電極またはガスバーナーで加熱し、光ファイバを軸方向に圧縮して光ファイバに沿った光減衰部分を提供することにより形成した減衰器を開示している。光ファイバコネクタで使用される低屈折率の減衰装置は、米国特許第５，０８２，３４５号に開示されている。
【０００６】
後者の特許は、伝送パスの端部あるいは光ファイバコネクタ内にディスク形状の減衰器部分を形成するために、ポリメチルメタクリレート（polymethylmethacrylate，ＰＭＭＡ）の使用を開示している。この減衰器部分は−４０ｄＢの反射率を与え、これは多くのアプリケーションにおいては適したものではあるが、高性能の光ファイバシステムでは必ずしも最適なものではない。
【０００７】
減衰量が制御可能な可変減衰器は、光ファイバの一部を回転させるあるいは動かすような可動部分を有する複雑な構造を有している。例えば、米国特許第５，７４５，６３４号は、可変減衰器を開示し、減衰量の変動は減衰器の一部をずらすようなｄｃモータを駆動することにより行っている。同様に米国特許第５，６７７，９７７号は、光ファイバの環状ループの一側にクランプされたロック可能な回転シャフトを用いることにより回転可能な光ファイバの環状ループを提供することにより減衰量の変動を得るような可変減衰器を開示している。
【０００８】
米国特許第５，７８１，３４１号は、挿入損失を調整するためにコリメータを回転させるカムを使用することによる可変減衰器を開示している。米国特許第５，３１９，７３３号は、２本の終端した光ファイバをその端部を整合させて保持部材内に配置し、そして可変の減衰量を提供できるよう整合を維持しながら、この保持部材を互いに回転させるような可変減衰器を開示している。以上に説明したこれらの可変減衰器は、可動部分の使用を含む欠点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
光学通信システムの発達および特に光ファイバ装置の発達と共に新たな減衰器の構想を含む新たな素子、設計が求められている。光学通信システムが進歩するにつれて、システムにより送信される波長の数が増加し、波長チャネルを変調し、フィルタ処理し、切り換えるような新たな方法および装置が求められている。したがって本発明の目的は、減衰機能を具備する光ファイバ装置の新たな構造を提供し、特に可動部分を含まない可変の減衰器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載した特徴を有する。本発明の可変屈折率領域は、可動部分を用いずにある波長の光に対し可変の減衰量を与えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１Ｂにおいて、本発明の光ファイバ装置２０は光ファイバ通信システムの一部を含み、例えば送信機１０と受信機１４と、この送信機１０と受信機１４を接続光学パス１２と、さらにまた光学パス１２に沿って配置される増幅器１６ａ，１６ｂを有する。この光ファイバ装置２０は、光学パスの領域の一部に配置され、そしてこの光ファイバ装置２０を光学システムの一部として用いる。
【００１２】
次に図２において、光の伝播モードを変更する光ファイバ光学装置は、ある長さの光ファイバ２２を、減衰部分として１つあるいは複数の可変屈折率領域４０を有するように構成することにより形成される。この「可変屈折率（ＶＲＩ）領域」とは、コアまたはクラッド層の屈折率とは異なる屈折率を有する材料から構成され、そして屈折率が内部からあるいは外部からの何れかにより調節可能なものを意味する。
【００１３】
この屈折率を変化させる例としては、可変屈折率領域の長さ形状または大きさの変動、あるいは可変屈折率領域の幅または長さの変動、あるいは可変屈折率領域に注入されるドーパントの濃度を変更することにより、および時間または温度のパラメータを変動させることにより、あるいは外部から加えられる電界または磁界および応力、温度のようなパラメータの変動により屈折率が変化する。
【００１４】
減衰部分を具備しないある長さの光ファイバは、本明細書では標準の光ファイバ部分と称する。減衰部分が標準の光ファイバ部分と接合する界面領域は、本明細書では第１と第２の接続部２４ａ，２４ｂと称する。可変屈折率領域４０は光ファイバの第１クラッド層３０内にコア３２に近接して配置される。本明細書において、「コアに近接する」とは、可変屈折率領域４０の少なくとも一部がコアに十分近接し、その結果光がコアから可変屈折率領域４０内に導波される領域を意味する。
【００１５】
好ましくは、光ファイバの中心からコアに近接する可変屈折率領域４０の外側端部までの距離は、モードフィールドの直径以下であり、コアに近接する距離はそのパラメータで決定される。この可変屈折率領域４０は、これらの領域を形成するのに用いられる材料を適宜選択することにより変更できるような波長依存性の損失を生成する。
【００１６】
この可変屈折率領域４０は、最初に空隙を形成しその後でこの空隙を適宜選択した材料で充填するが、あるいはコアまたはクラッドの何れかの屈折率の濃度と異なる濃度でドーピングした材料で形成される。また、可変屈折率領域４０は屈折率の増加勾配または減少勾配を生成させるために、その断面方向に沿って異なる材料でドーピングすることも可能である。ドーピング剤は、Ｇｅ，Ａｌ，Ｂ，Ｐ，Ｇａ，Ｌａおよび希土類元素の１つあるいは複数を含み、これらの材料については米国特許第４，６６６，２４７号に開示されている。
【００１７】
減衰量は以下の方法により変化させることができる。例えば、可変屈折率領域４０を構成する材料を変化させることにより、あるいは減衰領域の長さを変化させることにより、あるいは可変屈折率領域４０を形成する感温性材料あるいはポリマーを用い、光ファイバを加熱または冷却することにより、あるいは可変屈折率領域４０を結晶で形成し、減衰部分に隣接して電界または磁界をかけることにより（光ファイバの外部の電極により）、あるいはクラッド層の屈折率以上からコアの屈折率近傍あるいはそれ以上の範囲に亘って可変屈折率領域４０の屈折率を変化させる方法により、あるいは他の材料の使用により行うことができる。
【００１８】
この可変屈折率領域４０は、光ファイバを引く抜く際に、光ファイバ内に組み込むことのできなかった材料で形成することができる。言い換えると、クラッド層を形成するのに用いることのない材料を用いて可変屈折率領域４０を形成し、これによりこの可変屈折率領域４０における材料の幅広い選択が可能となる。好ましくは、可変屈折率領域４０の屈折率は、クラッド層またはコアの屈折率と同一でないのが好ましい。
【００１９】
次に本発明の作用について説明する。可変屈折率領域４０がクラッド層の屈折率と同一の屈折率を有する場合には何の効果もない。接続部２４ａ，２４ｂの挿入損失はあるが、その量は無視可能なものである。即ち０．５ｄＢ以下である。可変屈折率領域４０の屈折率がクラッド層の屈折率より大きくなり、そしてコアの高屈折率に近づくにつれて、基本モードは拡散しその結果コアに沿った導波が弱くなり、挿入損失が増加する。
【００２０】
可変屈折率領域４０の屈折率が、クラッド層以上になると挿入損失はさらに大きくなる。可変屈折率領域４０の屈折率が増加すると、光ファイバは可変屈折率領域４０の位置，形状，大きさによりマルチモードとなる。マルチモードの光ファイバでは、可変屈折率領域４０内でファイバに入る光は、マルチモードを引き起こし、このマルチモードは、標準のシングルモードファイバに対しデバイスの出力点で干渉を引き起こす。
【００２１】
減衰器部分内では複数のモードが互いにビートしあい、接続部２４ａ，２４ｂに隣接する領域、例えば標準の光ファイバ部分の入口部分では、複数のモードが波長によって同位相（in-phase）または位相はずれ（out-of-phase）の何れかで再結合する。これらのモードが同位相で再結合する場合には、デバイス内での減衰量は非常に小さいが、複数の位相が位相はずれで結合する場合には減衰量が大きくなる。複数のモードが同位相あるいは位相はずれで結合するか否か（その結果の減衰量も）は波長に依存する。
【００２２】
減衰器部分の長さは、１００ミクロンから１０ｃｍの範囲内あるいはそれ以上長く、例えば１ｍに達することあるいはそれ以上になることもある。長い減衰器部分に対しては、大幅な減衰を示す波長間のスペースは短い減衰部分よりも小さい。上記したように減衰量は、可変屈折率領域４０の組成物を変動することにより変化させることができる。かくして本発明の光ファイバ装置は、可変の挿入損失を生成することができる。
【００２３】
図３において、光ファイバはコア３２を有し、このコア３２を少なくとも第１クラッド層３０が包囲している。このコア３２は、高屈折率の材料から形成され、ＳｉＯ2：ＧｅＯ2製のコアが用いられる。ＧｅＯ2は屈折率を上げるために添加される。この屈折率は米国特許第４，６６６，２４７号に記載されたドーパントを使用して上昇させることができる。選択的事項として第２クラッド層３４が第１クラッド層３０を包囲してもよい。第２クラッド層３４はコアの屈折率よりも低い屈折率材料で構成され、アンドープのシリケートガラスである。
【００２４】
かくして層の屈折率はコアから第２クラッド層３４に向かって徐々に小さくなるようにしている。しかし、第２クラッド層３４の使用は本発明に必ずしも必須のものではない。必要によってはファイバを保護するために外側ポリマー層３６を用いてもよい。
【００２５】
コア３２に隣接する第１クラッド層３０内には、１つあるいは複数の可変屈折率領域が配置される。この屈折率変動領域の少なくとも１つが上記に定義したようなコア３２に隣接して配置される。この可変屈折率領域は、光ファイバの寸法により様々な形状あるいは様々な厚さで形成される。この領域は、必ずしも対称である必要はなくこれにより製造条件が緩和される。
【００２６】
例えば、ＶＲＩ領域は、コア３２の何れかの側に１つあるいは複数のアモルファス製ロッド４２ａ、４２ｂである（図３Ａ）である。別法としてこの領域は、第１クラッド層３０内に複数の非円形絶縁領域４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄである（図３Ｂ）。さらに他の実施例においては、ＶＲＩ領域は、コアを同心状に包囲する非円形領域４６（図３Ｃ）である。このＶＲＩ領域は、アモルファスで、形状をきっちりと規定する必要はなく、これにより特定の形状を得る製造条件が緩和される。
【００２７】
一般的に環状またはディスク状のＶＲＩ（例、中心点のないパイ状の切り欠き）が好ましく、これにより製造ステップが容易となる。好ましくは、３個以上のＶＲＩ領域を用いるが、これらはきっちりと９０度離れた異なる軸状にある必要はなく、これによりＶＲＩ領域に関連する基本モードの複屈折の可能性を低下させることができる。この周囲に複数の領域（例えば、３個から６個もしくはそれ以上）を具備する本発明の光ファイバの製造方法は、ＶＲＩ領域を２個だけ有する光ファイバを製造するよりも難しくはない。
【００２８】
ＶＲＩ領域の製造は、クラッド層へのドーパントの選択的拡散あるいは選択的注入とドーピング技術を適用することにより得られる。これらの材料で形成したこれらの領域は、電界または磁界または温度に対し感受性を有し、例えば液晶またはある種のポリマー材料で形成され、その後ＶＲＩ領域の屈折率は電界または磁界を選択的にかけることにより、あるいは光ファイバを加熱または冷却することにより調整可能である。
【００２９】
減衰器部分を有する光ファイバ装置を製造する簡単な方法は、コアに隣接する長さ方向に沿って配置された空隙を有する光ファイバの一部を具備することである。屈折率変更オイル、例えば米国ニュージャージー州Cedar GroveのCargille Inc. 社により製造されているオイル、あるいは他の液体材料は、毛細管現象により空隙内に容易に取り込むことができる。
【００３０】
別法として、毛細管現象が空隙内に気体を吹き込むのに十分でない場合には、真空ポンプを用いてもよい。いずれの場合にしても、接続部２４ａ，２４ｂに隣接する空隙の部分は、減衰器部分を標準の光ファイバ部分に接合するプロセスを容易にするために空洞のまま残しておくのがよい。固体の屈折率材料を用いてＶＲＩ領域を形成する場合には、光ファイバの製造プロセスの間このＶＲＩ領域を形成するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ  光学通信システムを表すブロック図Ｂ  本発明の光ファイバ装置を含む光学通信システムのブロック図
【図２】本発明の一実施例の光ファイバ装置の長さ方向に沿った断面図
【図３】図２の線３−３に沿った断面の本発明の光ファイバ装置の他の実施例を示す断面図
【符号の説明】
１０  送信機
１２  光学パス
１４  受信機
１６ａ、１６ｂ  増幅器
２０  本発明の光ファイバ装置
２２  光ファイバ
２４ａ  第１接続部
２４ｂ  第２接続部
３０  第１クラッド層
３２  コア
３４  第２クラッド層
３６  外側ポリマー層
４０  可変屈折率領域
４２ａ、４２ｂ  アモルファス製ロッド
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ  非円形絶縁領域
４６  非円形領域
【図１】
0003649321.tif 000002
【図２】
0003649321.tif 000003
【図３】
0003649321.tif 000004