(57)【要約】  光ファイバから光エネルギを伝達するための広帯域光ファイバタップであって、光エネルギをファイバのより高次のモードへと結合するための第１および第２のマイクロベンドと、ファイバのクラッディングに形成され、光ファイバからより高次のモードのエネルギを全反射によって反射するような角度で位置付けられた反射面とを備える光ファイバを有する。好ましい実施例では、２つのマイクロベンドは、単一モードファイバのＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードについてのモード間ビート長の２分の１にほぼ等しい距離だけ間隔を置かれている。
2008511872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバから光エネルギを伝達するための光ファイバタップであって、
コアおよびクラッディングを含む光ファイバと、
ファイバに形成され、前記光ファイバの少なくとも２つのモード間で光エネルギを結合する第１の構造と、
ファイバに形成され、前記第１の構造から予め規定された距離だけ離れて位置している、前記光ファイバの前記２つのモード間で光エネルギを結合する第２の構造と、
前記光ファイバのクラッディングに形成され、光伝搬の方向において前記第１の構造から下流に予め規定された距離ｄだけ離れて位置している、前記ファイバの側面からの光エネルギを反射するための反射面とを含む、光ファイバタップ。
【請求項２】
前記第１の構造と前期第２の構造とは、結合されている２つのモードについてのモード間ビート長の約２分の１だけ間隔を置かれている、請求項１に記載の光ファイバタップ。
【請求項３】
前記反射面は、レーザ放射を用いてクラッディング材料をアブレーションすることによって形成される、請求項１に記載の光ファイバタップ。
【請求項４】
前記第１および第２の構造の各々は、アニールされたマイクロベンドを含む、請求項１に記載の光ファイバタップ。
【請求項５】
前記反射面は、光ファイバの長手方向軸の垂線に対して４４°よりも大きい、またはそれに等しい角度で位置付けられている、請求項３に記載の光ファイバタップ。
【請求項６】
前記距離ｄは、式：
【数１】
2008511872.tif 000006
によって与えられ、式中、ｎcladはクラッディング材料の屈折率、Ｄはファイバの直径、、ＮＡはファイバの開口数である、請求項１に記載の光ファイバタップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．発明の分野
この発明は、光ファイバからの光エネルギを結合するための構成要素に関し、特に、比較的幅広い波長範囲にわたって光エネルギを効率的に結合する光ファイバタップに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
２．先行技術の説明
光ファイバネットワークのますます高まる複雑性は、光ファイバを通って流れる光エネルギを測定可能な装置に対する需要を生み出してきた。そのような装置は、ネットワークを監視および制御するために有用であり、管を通る水の流れを監視するために使用される水流計に多くの点で類似している。
【０００３】
光ファイバにおける光エネルギの流れを測定するには、光エネルギのごく一部をファイバから検出器上へと向け直す必要がある。検出器は光エネルギを、ファイバ内を流れる光エネルギを表わす役割を果たす電気信号に変換する。一般に「光タップ」と呼ばれる装置が、光ファイバから光エネルギの一部を取り除く機能を行なう。
【０００４】
光ファイバから光をタップするためのさまざまな手法が当該技術分野において周知である。そのような一手法が米国特許出願第１０／３９０，３９８号（`３９８出願）に記載されており、そこでは、アニールされたマイクロベンドと、ファイバのクラッディングに形成され、マイクロベンドによってファイバの側面から散乱される光を方向付けるための反射面とから構成された、ファイバ内の２部構造を作製するために、ＣＯ2レーザビームが用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この手法は小さいサイズ、低い挿入損失、製造の容易さといった多くの望ましい特徴を提供するものの、ファイバの誘導特性に起因する固有の波長依存性に苦慮している。
【０００６】
この波長依存性の１つの目安は、タップ効率の波長による変化である。タップ効率は、光学経路にタップを導入することによって失われる全光パワーに対するタップされた光パワーの比率として規定される。光がファイバコアから散乱されるもののタップにおいてファイバから出ることができず、代わりにタップの下流の地点で失われる場合、効率は低下する。
【０００７】
残念ながら、`３９８出願の教示に従って従来の電気通信ファイバに作製された光タップでは、タップ効率は、１３１０ｎｍ〜１５５０ｎｍの波長帯域にわたって４００％も変化する場合がある。狭帯域用途については波長依存性はほとんど心配ないものの、広帯域用途では、タップ効率が１３１０ｎｍ〜１５５０ｎｍの波長領域にわたって比較的一定のままであることが要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
有利には、この発明は、波長の影響を比較的受けず、そのため比較的幅広い波長範囲にわたる動作を可能にする光タップを提供する。
【０００９】
この発明の教示によれば、この発明は、たとえばＣＯ2レーザ放射を用いてファイバに形成された２つのアニールされたマイクロベンドと、２つのマイクロベンドの下流のクラッディングに形成された反射面とを有する単一モードファイバによって、これを達成する。反射面は、マイクロベンドを形成するのに用いられたのと同じＣＯ2レーザを用いて、レーザアブレーションを用いてファイバのクラッディングにノッチを作製することによって形成される。ノッチは、ファイバ軸の垂線に対して約４４°の角度で反射面を作製するようファイバのクラッディングに形成され、これにより、この面に入射する光について全反射を誘発する。２つのマイクロベンドは、反共振結合を引起すよう、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードについてのモード内ビート長の２分の１にほぼ等しい距離だけ間隔を置かれている。反共振結合は、ＬＰ１１モードにおける光の相対量を減少させ、その一方でより効率的に結合されるより高次のモードを投入するため、タップの波長依存性を大幅に低減させ、それによりその波長範囲を大幅に広げる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明の教示は、以下の詳細な説明を添付図面とともに検討することにより、容易に理解され得る。
【００１１】
読者の理解を容易にするため、さまざまな図面に共通の同一または同様の要素を示すために同一の参照番号が使用される。図面は必ずしも縮尺どおりに描かれてはいない。
【００１２】
好ましい実施例の詳細な説明
図面を参照すると、図１は、光ファイバ１０２と、第１のマイクロベンド１０４と、第２のマイクロベンド１２２と、反射面１０６とを含む光ファイバタップ１００を示している。反射面１０６とマイクロベンド１０４および１２２とは、以下に説明するような単一のＣＯ2レーザからの放射を用いて形成される。以下、マイクロベンドとは、ファイバの直径と同程度の曲率半径を有する、ファイバの曲がった区分を意味する。一方、マクロベンドとは、ファイバの直径に比べて比較的大きい曲率半径を有するベンドを意味する。好ましい実施例では、マイクロベンド１０４および１２２は、アニールされたマイクロベンドである。つまり、それらはその軟化温度より高温でファイバを局所的に加熱することによってファイバに形成される。マイクロベンド１０４および１２２はこのため、ファイバにおける永続的で応力のない構造である。
【００１３】
以下により詳細に説明するように、マイクロベンド１０４および１２２は、ファイバ１０２のコアからそのクラッディングへと光エネルギを散乱させる役割を果たす。散乱されたエネルギは反射面１０６によってファイバ１０２の側面から反射される。好ましくは、反射面１０６は図１に示すように角度θｓで形成され、ここでθｓは全反射用の角度よりも大きいかまたはそれに等しい。当該技術分野において周知であるように、全反射用の角度θtは、ファイバクラッディング１１０の屈折率ｎcladとファイバ１０２を包囲する媒体の反射率ｎsとによって決まり、式θt＝ａｒｃｓｉｎ（ｎs／ｎclad）によって表わされる。たとえば、空気に包囲された、ドーピングされていないシリカクラッディングを有する光ファイバについては、全反射用の角度θtは約４４°である。このため、散乱角度θcが小さいとすると、角度θsは、約４４°よりも大きいかまたはそれに等しい角度を有するように形成されるべきである。
【００１４】
加えて、好ましい実施例では、反射面１０６は、ファイバ１０２を通る光伝搬の方向において第１のマイクロベンド１０４の下流に距離ｄだけ離れて配置されており、距離ｄは、エネルギ１２０がクラッディング１１０の外壁へと広がるのに十分ではあるものの、エネルギ１２０が反射面１０６に遭遇する前にファイバ１０２の側面から逃げてしまうほど離れてはいない。小さなベンド角度θ1およびθ2については、好ましい距離は以下の範囲
に該当する。
【００１５】
【数１】
2008511872.tif 000003
【００１６】
ここで、ｎcladはクラッディングガラスの屈折率、Ｄはファイバ径、ＮＡはファイバの開口数である。ＮＡが０．１４、クラッディングの屈折率が１．４５、および直径が１２５ミクロンの従来の電気通信ファイバについては、反射面１０６は第１のマイクロベンド１０４から１．３ｍｍ〜２．６ｍｍ離れて配置されるべきである。
【００１７】
米国特許出願第１０／３９０，３９８号（`３９８出願）に記載されているような単一のマイクロベンドから構成されるタップと比較すると、図１のこの発明のタップ１００は、２つのマイクロベンドの曲げ角度θ1およびθ2と、マイクロベンド間の間隔Δと、反射面１０６の深さｈおよび位置ｄとを調節することによって、向上した波長性能および効率を呈するよう作製され得る。以下により詳細に説明するように，マイクロベンド１０４と１２２との間隔は、ほぼ、および好ましくは、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードについてのモード間ビート長の２分の１に等しい。
【００１８】
光タップ１００を作製するために使用される機器は図２に示されており、`３９８出願に記載されたものと同様である。ＣＯ2レーザ２０２からの放射がレンズ２０４、２０６および２０８を通るよう方向付けられ、それらは集団でレーザ放射を調整し、光ファイバ１０２上へと集束させる。光ファイバ１０２は集束ビーム２３２内にクランプ固定具２１０および２１２によって保持され、それらは各々、クランププレート２１４と２１６との間、および２１８と２２０との間にファイバを挟むことによってファイバを保持する。クランプ固定具２１０および２１２によってファイバに印加されるクランプ力は、ファイバを所定の場所に保持するのに十分な力を保ちつつ、ファイバに損失を誘発しないように調節される。
【００１９】
光ファイバ１０２をクランプ固定具に取付ける前に、光ファイバ１０２の保護ジャケットの一部が除去され、ある長さの剥き出しクラッディングが露出される。露出されたクラッディング区分は次に、クランプ固定具２１０と２１２との間の領域に位置付けられる。
【００２０】
第２のレーザ源２２４からの光パワーがファイバ１０２へと結合され、その一方でパワーメータ２２６がファイバ１０２から出現する光パワーの量を測定する。
【００２１】
ファイバ１０２をクランプ固定具２１０および２１２に取付けた後で、かつＣＯ2レーザ２０２からの放射を加える前に、クランプ固定具２１２をクランプ固定具２１０のほうへ動かすことによってファイバ１０２は曲げられ、マクロベンドが形成される。ファイバガイド２２８および２３０は、ファイバがレーザ放射の方向に曲がるようにする。好ましくは、ファイバ１０２に誘発されたマクロベンドは、ファイバの偶発的なねじれまたは曲がりによってクランプ固定具に生じるどんな残留応力よりも大きいファイバ内の応力を提供しつつ、同時にファイバ内の過剰損失を最低限に抑える、十分小さい半径を有するべきである。たとえば、コーニング（Corning）ＳＭＦ−２８単一モードファイバについては、約０．５インチのベンド半径が通常、この条件を満たす。
【００２２】
ＣＯ2レーザ２０２からの集束された放射がファイバ１０２の曲げられた区分に加えられ、その一方で、パワーメータ２２６によって光パワーが測定される。ＣＯ2レーザ２０２からの光エネルギの吸収により、ファイバ１０２のガラスはその軟化温度よりも高温で
加熱され、永続的なマイクロベンド１０４（図１参照）がファイバに形成される。焦点サイズ、パワーレベル、暴露時間といった、レーザ２０２によって作り出されるレーザビームパラメータを調節することにより、形成されるマイクロベンドは、パワーメータ２２６を用いた伝達パワーの変化によって判断されるように、光パワーの予め定められた一部をファイバ１０２のコアからクラッディングへと散乱させるよう作製され得る。好ましくは、焦点サイズは、ファイバ上の影響される領域の範囲を最小限に抑えて、誘発されるマイクロベンドの半径をできるだけ小さく保つために、ファイバの直径と同程度に調節されるべきである。こうして、さもなければタップにおける偏光依存性につながり得る多経路の影響が回避される。たとえば、４００ミクロンの焦点サイズを用いると、１０．６ミクロンの波長で動作するＣＯ2レーザからの３．５ワットのパワーレベルは、半径０．５インチのベンドに保持されたコーニングＳＭＦ−２８単一モードファイバにおいて、１秒の暴露で０．５ｄＢの損失を誘発する。形成中にマイクロベンド１０４によって誘発される損失を活発に監視することにより、曲がりの量は、図１の角度θ1を直接測定する必要なく制御可能である。
【００２３】
マイクロベンド１０４の形成後、クランプ固定具２１０および２１２を一斉に動かすことによって、ファイバ１０２は、矢印２３６で示す方向において該して左へ距離Δだけ平行移動される。次に第２のマイクロベンド１２２が、第１のマイクロベンド１０４と同じ手順および暴露時間に従って形成される。
【００２４】
第２のマイクロベンド１２２の形成後、クランプ固定具２１２はその開始位置に戻され、ファイバ１０２内の応力が開放される。クランプ固定具２１０および２１２を用いて、ファイバ１０２は次に、源２２４から離れる方向において第１のマイクロベンド１０４から距離ｄだけ離れたファイバ１０２上の地点にレーザ２０２からのレーザビームを位置付けるよう動かされる。レンズ２０６および２０８が次に、焦点のサイズを再調節するよう動かされる。レーザ放射がファイバ１０２に加えられて、焦点領域を通るようにファイバ１０２を動かしながらレーザを予め定められた速度でパルス化することにより、ノッチ１０８を形成する。ファイバ１０２のクラッディングにｖ字形のノッチを形成するために、ファイバ１０２のクラッディングガラスの温度が、小さい領域でガラス材料を気化させるのに必要な温度よりも上昇するよう、レーザパワーレベル、焦点サイズおよびパルス期間が調節される。ノッチの形成後、ファイバの側面から反射された光パワーが光検出器２３４を用いて測定される。
【００２５】
ノッチを包囲する領域の過剰溶融を最低限に抑え、ひいてはファイバコアのひずみによって生じる過剰損失を回避するためには、高ピークパワー密度レベルと短期間パルスとが用いられるべきである。たとえば、Ｋ．アイメン（Imen）らによる「レーザにより作製された光ファイバタップ」（"Laser-fabricated fiber-optic taps"）、オプティクス・レターズ（OPTICS LETTERS）、第１５巻、第１７号、１９９０年９月１日、９５０−９５２頁は、マルチモードファイバにおいて、１０ミリ秒よりも長いパルス期間は、レーザにより機械加工されたノッチを包囲する領域の顕著な溶融を誘発し得る、と述べている。単一モードファイバでは、コアの少量の溶融でさえ、測定可能な損失を誘発し得るが、パルス期間を１ミリ秒よりも短く保つことが好ましい。
【００２６】
ここで報告された結果については、ピークパワーが１００ワット、パルス期間が５０マイクロ秒、焦点サイズが約５０ミクロン、およびファイバの表面でのパワー密度が約５００万ワット／ｃｍ2であるＣＯ2レーザが、図１のノッチ１０８を形成するために使用された。図１の反射面１０６にとって望ましい角度を得るために、ファイバ１０２を約１２ミクロン／秒の速度でビームを横切って横断させながら、レーザを約１パルス／秒でパルス化した。この走査速度およびパルス速度では、各通過につき約１０パルスがファイバに衝突した。なお、光タップ１００を形成するためのプロセスは、単一のファイバの長さに沿
って多数の地点でタップが形成される完全自動化製造プロセスに容易に適合可能である。単一のファイバスパンに多数のタップを製造することにより、結果として生じる製造コストは、各タップについてファイバを終端させる必要を回避することによって大幅に削減可能である。
【００２７】
図１のタップ１００に戻ると、光ファイバ１０２には、屈折率がｎcoreの中央コア１１２が、より低い屈折率ｎcladを有するクラッディング１１０に包囲されて含まれていると想定される。いくつかの実施例では、コアおよびクラッディングの一方または双方が、さまざまな複雑性および形状の屈折率プロファイルを有していてもよい。さらに、光ファイバ１０２を流れる光エネルギ１１４は、光タップ１００に入る前はファイバの導波モードになっていると想定される。当該技術分野において周知であるように、光が光ファイバの長さに沿って伝搬するにつれてそのエネルギの径方向分布が一定のままである場合、光は導波モードになっていると言われている。そのような導波モードの光エネルギの大部分はまた、光ファイバのより高屈折率のコア領域内に通常位置している。それに反して、光がファイバの長さに沿って伝搬するにつれてエネルギのその径方向分布が変化する場合、光は光ファイバの非導波モードになっていると言われている。加えて、誘導されない光は通常、その光エネルギの大部分を、コアを包囲するより低屈折率のクラッディングに有している。好ましい実施例では、光ファイバ１０２はステップ型の単一モードファイバである。そのようなファイバはＬＰ０１モードのみを誘導する。ＬＰ１１、ＬＰ０２などのより高次のモードは誘導されないが、それらは、放射減衰によってそれらのエネルギを失う前に、ファイバ内を数ミリメートル以上の距離伝搬する場合がある。
【００２８】
図１の光タップ１００の動作、および先行技術に対するその利点をより良く理解するには、ファイバ１０２のモード中の光エネルギの分布をファイバに沿った位置の関数として示す図によって、タップ１００を表わすことが有用である。そのような図は一般に、レベル図と呼ばれている。
【００２９】
図３は、図１のタップ１００についてのレベル図を示している。水平線はファイバのモード（すなわちレベル）を表わしており、空（点線）か満杯（実線）かのいずれかである。矢印は光エネルギの動きを示している。ファイバにおける位置は、図中の水平位置によって表わされる。
【００３０】
図３に示すように、入力された光エネルギ１１４は最低次のＬＰ０１モードでタップ１００に入る。これは導波モードであるため、エネルギ１１４は、それが第１のマイクロベンド１０４に遭遇するまでそのモードに留まる。マイクロベンド１０４によって少量のエネルギがＬＰ１１モードへと結合される。マイクロベンド１０４の結合強度は、ＬＰ１１モードに伝達されるエネルギの相対量を基準としており、図１の角度θ1とともに増加する。ここに挙げる説明のため、第１のマイクロベンド１０４によってＬＰ１１よりも高次のモードに結合されるパワーは取るに足らないものであると想定される。当該技術分野において周知であるように、マイクロベンドはＬＰ０１を、他のモードに結合するよりもはるかに効率的にＬＰ１１モードに結合する傾向がある。
【００３１】
ＬＰ１１モードは導波モードではないため、ＬＰ１１モードのエネルギ１１６は、それがファイバを伝搬していくにつれて、より高次のモードへと、およびクラッディングへと放射する。より高次のモードは次に、エネルギをファイバ１０２のクラッディングへと放射する。
【００３２】
ＬＰ１１モードエネルギ１１６が第２のマイクロベンド１２２に遭遇すると、エネルギは３つの部分に分割される。第１の部分は、より高次のモードへと結合される。第２の部分は、元に戻って導波モードのＬＰ０１モードへと結合され、第３の部分は、ＬＰ１１モ
ードに留まる。第２のベンド１２２の後のこれらの部分の各々における光エネルギの量は、マイクロベンド１０４および１２２の結合強度によって、およびマイクロベンド１２２でのＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの相対位相によって決まる。当該技術分野で公知であるように、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとは異なる位相速度を有するため、マイクロベンド１０４と１２２との間隔が、マイクロベンド１２２でのモードの相対位相を決める。
【００３３】
マイクロベンド１０４および１２２の下流で、非導波モードであるＬＰ１１モードのエネルギ１１６およびより高次のモードのエネルギ３２０によってクラッディングへと放射されたエネルギ１２０は、反射面１０６に衝突し、タップ出力エネルギ１２０としてタップ１００を出る。タップ１００の効率は、光エネルギがファイバ１０２のクラッディングへと放射され、それにより反射面１０６によって取込まれる効率に依存する。非導波モードに、またはクラッディングに留まり、反射面１０６によって取込まれていない光エネルギは、タップ１００のさらに下流でファイバ１０２から放射される。この「失われた」エネルギは、タップ１００の効率を低下させるため望ましくない。
【００３４】
この発明の教示によれば、マイクロベンド１０４および１２２の結合強度がほぼ等しくされ、かつ、マイクロベンド１２２でのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの位相差が１８０°となるようにマイクロベンド間の間隔が調節される場合、マイクロベンド１２２の後のＬＰ１１モードにおけるエネルギの量はほぼゼロである。そのような結合は反共振結合と呼ばれる。完全に反共振の結合を達成するには、マイクロベンド１０４と１２２との間隔が、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードについてのモード間ビート長の２分の１に等しくなる必要があり、ビート長ＬBは以下のように規定される。
【００３５】
【数２】
2008511872.tif 000004
【００３６】
式中、λは光の波長、ΔｎはＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間の有効屈折率差である。ＬＰ１１モードカットオフ波長を上回る波長で動作されるステップ型ファイバでは、屈折率差Δｎは該して以下の式により与えられる。
【００３７】
【数３】
2008511872.tif 000005
【００３８】
式中、ｎcoreおよびｎcladはコアおよびクラッディングの屈折率であり、ｂ01はＬＰ０１モードについての周知の正規化伝搬定数である（たとえばオプティカル・ファイバ・テレコミュニケーションズ（Optical Fiber Telecommunications）のＤ．マルクーゼ（Marcuse）らによる「ファイバの誘導特性」（"Guiding Properties of Fibers"）（Ｓ．Ｅ．ミラー（Miller）およびＡ．Ｇ．チノーウェス（Chynoweth）編集、アカデミックプレス社（Academic Press. Inc.）、ボストン（Boston）、マサチューセッツ（Mass.）（著作権）１９７９年、第３７−４５頁）（マルクーゼテキスト）の第３章を参照）。
【００３９】
ＬＰ１１モードのエネルギの全部ではないにしろ大半を反共振結合によって排除した結果、より高次のモードが一般にＬＰ１１モードよりも容易にクラッディングへと放射するので、タップ１００はより効率的に作製され得る。この効果は、ＬＰ１１モード用のカットオフ波長に近い波長に対し、特に当てはまる。これらの波長では、ＬＰ１１モードは、非導波モードではあるものの、クラッディングへのそのエネルギを絶つことなく、依然と
してファイバ内を長い距離伝搬することが可能である。
【００４０】
`３９８出願に記載されているような単一のベンドを利用するタップは、ＬＰ１１モードのみに頼ってエネルギをファイバクラッディングへと放射する。その結果、そのようなタップは、図１のタップ１００に比べ、カットオフ波長近くでの効率の低下、ひいては波長依存性の増加を示している。
【００４１】
図４は、`３９８出願の教示に従って作製された一連の単一ベンドタップにおけるマイクロベンドと反射面との間の距離の関数としてのタップ効率のグラフを示している。図にグラフ化された、正規化されたタップ効率は、図２の検出器２３４によって生成された光電流を、パワーメータ２２６によって測定された光パワーで除算し、かつタップのわずかな損失の総計で除算した比率である。１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍ双方についてのデータが図示されている。タップは、コーニングＳＭＦ２８単一モードファイバにおいて１５５０ｎｍで０．２０ｄＢの損失を有するマイクロベンドを誘発することによって形成された。１３１０ｎｍでの対応する損失は０．１７ｄＢと測定された。このファイバは、カットオフ波長が約１２６０ｎｍ、コア−クラッディング屈折率ステップが０．００２５であった。ノッチをクラッディングに約３４ミクロンの深さまで切りこむことにより、各タップ用に反射面１０６が形成された。
【００４２】
図４は、マイクロベンドと反射面との間隔が小さくなるにつれて、マイクロベンドによってコアから結合される光パワーがクラッディングへと放射せず、したがって反射面によって集められないために、タップ効率がゼロに近づく、ということを示している。１．５ｍｍよりも大きい間隔では、双方の波長についてのデータは横ばい状態になり、１３１０ｎｍのデータについては、効率はかなり劣っている。波長１５５０ｎｍよりも波長１３１０ｎｍの方がＬＰ１１モードについてのカットオフ波長にはるかにより近いため、１３１０ｎｍではＬＰ１１モードパワーは容易には放射せず、結果として、この波長については効率は５分の１に低下している。
【００４３】
図５は、`３９８出願の教示に従って作製された同様の単一ベンドタップの波長依存性を示している。反射面はマイクロベンドの１．６ｍｍ下流に位置付けられた。相対応答は１２７５ｎｍ〜１５７５ｎｍの波長間隔全体にわたって波長への著しい依存性を示しており、カットオフに近い波長は大幅に低下した効率を示している。
【００４４】
図１のこの発明のタップにおいて第２のマイクロベンドを用いて達成された利点を実証するために、コーニングＳＭＦ２８単一モードファイバのサンプルにおいて、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのモード間ビート長が測定された。ビート長は、Ｒ．Ｃ．ヤンクウィスト（Youngquist）らによる「２モードファイバモードカプラ−」（"Two-mode fiber modal coupler"）、オプティクス・レターズ、第９巻、第５号、１９８４年、第１７７−１７９頁に記載されているものと同様の態様で、さまざまな周期性の波形板間でファイバをプレスしながらファイバにおける波長依存性損失を測定することによって、求められた。
【００４５】
図６は、波長の関数としての測定されたビート長のグラフを示している。図における理論曲線は、上述の式（２）および（３）と、公知のコア−クラッディング屈折差率である０．００２５と、正規化伝搬定数ｂ01の値である０．４８とを用いて生成された。後者の値は、マルクーゼテキストの第３章、第４３頁にグラフ化されたデータから得たもので、Ｖナンバーを２．２と想定した。
【００４６】
コーニングＳＭＦ２８ファイバに一連のタップを作製することにより、タップ効率および挿入損失を、図１のマイクロベンド１０４と１２２との間隔Δの関数として測定した。
全タップについて、ノッチの深さは３４ミクロン、第１のマイクロベンドと反射面１０６との距離ｄは１．８ｍｍであった。
【００４７】
図７および図８は、１３１０ｎｍの動作波長で得られたタップ効率および挿入損失のデータをそれぞれ示している。第１および第２のマイクロベンドは、ほぼ等しい結合強度を有するよう形成され、個々に約０．５ｄＢの損失をファイバに作り出した。
【００４８】
図７のデータは間隔０．２６ｍｍにおいてタップ効率の明らかなピークを示している。図６のビート長のデータによれば、これは、１３１０ｎｍでのビート長の２分の１に相当する。この間隔において、図１の第２のマイクロベンド１２２は、ＬＰ１１モードがＬＰ０１モードへと戻る反共振結合を引起す。より高次のモードによって光エネルギがクラッディングへと放射されるので、タップの効率はこうして改良される。
【００４９】
ＬＰ１１エネルギがＬＰ０１モードへと戻って結合することは、図８の挿入損失のデータにも反映されており、同じ間隔０．２６ｍｍにおいて挿入損失の明確な最低値が存在している。
【００５０】
図９および図１０は、同じタップについて１５５０ｎｍの波長で得られたタップ効率および挿入損失のデータをそれぞれ示している。１３１０ｎｍについてのデータとは異なり、図９の１５５０ｎｍのデータはタップ効率のピークを示していない。これは、１５５０ｎｍがカットオフから十分に遠いためにＬＰ１１モードがより高次のモードとほぼ同じぐらい効率的に放射する、ということに起因する。したがって、反共振結合によって生じるパワーの再分布は効果がない。一方、図１０に示す１５５０ｎｍについての挿入損失のデータは、１３１０ｎｍのデータと同様の挿入損失の明確な下落を示しており、第２のマイクロベンドによってＬＰ１１モードパワーがＬＰ０１モードへと戻って結合されていることを示している。
【００５１】
図１１は、コーニングＳＭＦ２８ファイバに０．３０ｍｍ間隔を置かれた２つのマイクロベンドを用いて作製された光タップについての、波長の関数としての相対応答を示している。０．３０ｍｍという間隔は、１３１０ｎｍでの良好なタップ効率を保ちつつスペクトル形状の平坦性を最適化するよう選択された。タップの総損失は、１３１０ｎｍでは０．１０ｄＢ、１５５０ｎｍでは０．１２ｄＢであった。図５の単一ベンドタップについてのスペクトル曲線と比較すると、図１１はスペクトル平坦性の実質的な向上を示している。
【００５２】
なお、この発明の教示はさまざまなファイバタイプに適用可能である。たとえば、高ＮＡファイバと呼ばれる、コア−クラッディング屈折率差が大きい単一モードファイバでは、非導波モードのＬＰ１１モードがそのエネルギをクラッディングへと放射せずに伝搬する傾向があるため、単一ベンドタップを内部に形成することが特に難しい。
【００５３】
図１２および図１３は、先行技術の単一ベンド設計およびこの発明の二重ベンド設計をそれぞれ用いて高ＮＡファイバに作製されたタップのスペクトル応答を示している。使用された高ＮＡファイバは、カットオフ波長が１５００ｎｍ、コア−クラッディング屈折率差が０．０１２５である。このファイバにおける１５５０ｎｍでのＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのモード間ビート長は、上述の式（２）および（３）を用いて、０．２５ｍｍであると計算された。このビート長では、このファイバにおける反共振結合用の間隔は約０．１２５ｍｍである。この間隔を用いて図１３のタップが作製された。双方のタップは、１５５０ｎｍでの測定損失が０．１ｄＢであった。
【００５４】
図１２と図１３との比較により、先行技術の単一ベンドタップに比べ、図１のこの発明
のタップを用いた高ＮＡファイバではタップ効率が１０倍以上増加したことがわかる。同時に、先行技術に比べ、スペクトル平坦性が大幅に向上している。
【００５５】
この発明の光タップ１００のさらに別の実施例は、米国特許第６、５３５，６７１  Ｂ１号に記載されているような、ファイバのＬＰ１１モードへと光を結合するための代替的な方法を用いることによって実現可能である。代替的な方法には、たとえば、オフセット融着接続、ファイバおよびファイバグレーティングのテーパ付けなどがある。
【００５６】
上述の説明は多くの詳細な仕様を含んでいるが、これらは、この発明の範囲に対する限定として解釈されるべきではなく、この発明の単なる例示として解釈されるべきである。たとえば、偏光感度が非常に高い光タップを作製するために、総内部反射用の角度よりも小さい角度で傾斜した反射面を使用することが可能である。そのようなタップは、光ファイバシステムの偏光センサにとって有用である。また、これに代えて、光タップの感度におけるさまざまな波長依存性を提供するために、図１の反射面１０６の上に薄膜コーティングを使用することが可能である。さらに、所与のファイバに３つ以上のマイクロベンドを使用することが可能であり、その場合、マイクロベンドのうちの少なくとも２つはモード間ビート長の２分の１または約２分の１の間隔を置かれている。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】この発明の光ファイバタップ１００の一実施例の側面図である。
【図２】図１に示す光ファイバタップを作製するための機器２００のブロック図である。
【図３】図１のタップについて、ファイバモード間のエネルギの伝達を位置の関数として表わすレベル図である。
【図４】従来の単一ベンドの光ファイバタップについて、マイクロベンドと反射面との間隔の関数としてグラフ化されたタップ効率のグラフである。
【図５】従来の単一ベンドの光ファイバタップについて、波長の関数としてグラフ化されたタップ出力信号のグラフである。
【図６】従来の単一モードファイバにおいて、波長の関数としてグラフ化された、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードについてのモード間ビート長のグラフである。
【図７】図１の光ファイバタップについて、１３１０ｎｍの波長でのマイクロベンド間の間隔の関数としてグラフ化されたタップ効率のグラフである。
【図８】図１の光ファイバタップについて、１３１０ｎｍの波長でのマイクロベンド間の間隔の関数としてグラフ化された挿入損失のグラフである。
【図９】図１の光ファイバタップについて、１５５０ｎｍの波長でのマイクロベンド間の間隔の関数としてグラフ化されたタップ効率のグラフである。
【図１０】図１の光ファイバタップについて、１５５０ｎｍの波長でのマイクロベンド間の間隔の関数としてグラフ化された挿入損失のグラフである。
【図１１】図１の光ファイバタップについて、波長の関数としてグラフ化されたタップ出力信号のグラフである。
【図１２】高ＮＡファイバに作製された従来の単一ベンドの光ファイバタップについて、波長の関数としてグラフ化されたタップ出力信号のグラフである。
【図１３】この発明の教示に従って高ＮＡファイバに作製されたタップについて、波長の関数としてグラフ化されたタップ出力信号のグラフである。
【図１】
2008511872.tif 000007
【図２】
2008511872.tif 000008
【図３】
2008511872.tif 000009
【図４】
2008511872.tif 000010
【図５】
2008511872.tif 000011
【図６】
2008511872.tif 000012
【図７】
2008511872.tif 000013
【図８】
2008511872.tif 000014
【図９】
2008511872.tif 000015
【図１０】
2008511872.tif 000016
【図１１】
2008511872.tif 000017
【図１２】
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【図１３】
2008511872.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月2日(2007.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅広い波長範囲にわたって光ファイバから光エネルギを効率的に伝達するための広帯域光ファイバタップであって、
コアおよびクラッディングを含む光ファイバと、
ファイバに形成され、光エネルギを前記光ファイバの導波モードから第１の非導波モードに伝達する第１の構造と、
ファイバに形成され、光伝搬の方向において前記第１の構造から下流に予め規定された距離Δだけ離れて位置している、光エネルギを前記光ファイバの前記第１の非導波モードから前記導波モードへと戻し、および第２の非導波モードへと伝達する第２の構造とを含み、前記第２の非導波モードは第１の非導波モードよりも高次のモードであり、前記タップはさらに、
前記光ファイバのクラッディングに形成され、光伝搬の方向において前記第１の構造から下流に予め規定された距離ｄだけ離れて位置している、前記ファイバの側面からの、前記クラッディングを伝搬する光エネルギを反射するための反射面を含む、光ファイバタップ。
【請求項２】
前記距離Δは、前記導波モードおよび前記第１の非導波モードについてのモード間ビート長の２分の１にほぼ等しい、請求項１に記載の光ファイバタップ。
【請求項３】
前記反射面は、レーザ放射を用いてクラッディング材料をアブレーションすることによって形成される、請求項１に記載の光ファイバタップ。
【請求項４】
前記第１および第２の構造の各々は、アニールされたマイクロベンドを含む、請求項１に記載の光ファイバタップ。
【請求項５】
前記反射面は、光ファイバの長手方向軸の垂線に対して４４°よりも大きい、またはそれに等しい角度で位置付けられている、請求項３に記載の光ファイバタップ。
【請求項６】
前記距離ｄは、式：
【数１】
2008511872.tif 000020
によって与えられ、式中、ｎcladはクラッディング材料の屈折率、Ｄはファイバの直径、ＮＡはファイバの開口数である、請求項１に記載の光ファイバタップ。
【請求項７】
光ファイバから光エネルギを伝達するための光ファイバタップであって、
コアおよびクラッディングを含む光ファイバと、
ファイバに形成され、前記光ファイバの少なくとも２つのモード間で光エネルギを結合する第１の構造と、
ファイバに形成され、前記第１の構造から予め規定された距離だけ離れて位置している、前記光ファイバの前記２つのモード間で光エネルギを結合する第２の構造と、
前記光ファイバのクラッディングに形成され、光伝搬の方向において前記第１の構造から下流に予め規定された距離ｄだけ離れて位置している、前記ファイバの側面からの光エネルギを反射するための反射面とを含み、
前記距離ｄは、式：
【数２】
2008511872.tif 000021
によって与えられ、式中、ｎcladはクラッディング材料の屈折率、Ｄはファイバの直径、ＮＡはファイバの開口数である、光ファイバタップ。
【請求項８】
光ファイバから光エネルギを伝達するための光ファイバタップであって、
コアおよびクラッディングを含む光ファイバと、
ファイバに形成され、前記光ファイバの少なくとも２つのモード間で光エネルギを結合する第１の構造と、
前記光ファイバのクラッディングに形成され、光伝搬の方向において前記第１の構造から下流に予め規定された距離ｄだけ離れて位置している、前記ファイバの側面からの光エネルギを反射するための反射面とを含み、
前記距離ｄは、式：
【数３】
2008511872.tif 000022
によって与えられ、式中、ｎcladはクラッディング材料の屈折率、Ｄはファイバの直径、ＮＡはファイバの開口数である、光ファイバタップ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
１．発明の分野
発明の背景
この発明は、光ファイバからの光エネルギを結合するための構成要素に関し、特に、比較的幅広い波長範囲にわたって光エネルギを効率的に結合する光ファイバタップに関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
２．先行技術の説明
光ファイバネットワークのますます高まる複雑性は、光ファイバを通って流れる光エネルギを測定可能な装置に対する需要を生み出してきた。そのような装置は、ネットワークを監視および制御するために有用であり、管を通る水の流れを監視するために使用される水流計に多くの点で類似している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
第２のマイクロベンド１２２の形成後、クランプ固定具２１２はその開始位置に戻され、ファイバ１０２内の応力が開放される。クランプ固定具２１０および２１２を用いて、ファイバ１０２は次に、源２２４から離れる方向において第１のマイクロベンド１０４から距離ｄだけ離れたファイバ１０２上の地点にレーザ２０２からのレーザビームが集束されるような場所に動かされる。レンズ２０６および２０８が次に、焦点のサイズを再調節するよう動かされる。レーザ放射がファイバ１０２に加えられて、焦点領域を通るようにファイバ１０２を動かしながらレーザを予め定められた速度でパルス化することにより、ノッチ１０８を形成する。ファイバ１０２のクラッディングにｖ字形のノッチを形成するために、ファイバ１０２のクラッディングガラスの温度が、小さい領域でガラス材料を気化させるのに必要な温度よりも上昇するよう、レーザパワーレベル、焦点サイズおよびパルス期間が調節される。ノッチの形成後、ファイバの側面から反射された光パワーが光検出器２３４を用いて測定される。
【国際調査報告】
2008511872.tif 000023
2008511872.tif 000024
2008511872.tif 000025