(57)【要約】【課題】レーザビームのエネルギの利用効率を高めることが可能な光ファイバカプラ製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも２本の光ファイバを、両者の側面同士が接触するように保持する。光ファイバの接触した部分にレーザビームを照射しながら、光ファイバの接触した部分を延伸させ、両者を融着させる。光ファイバの融着した部分が延伸されるに従って、光ファイバの配置された位置におけるビーム断面を小さくする。【選択図】  図１
2005004113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）少なくとも２本の光ファイバを、両者の側面同士が接触するように保持する工程と、
（ｂ）前記光ファイバの接触した部分にレーザビームを照射しながら、該光ファイバの接触した部分を融着させ、延伸させる工程と、
（ｃ）前記光ファイバの融着した部分が延伸されるに従って、該光ファイバの配置された位置におけるビーム断面を小さくする工程と
を有する光ファイバカプラ製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｂ）が、前記光ファイバの配置された位置におけるレーザビームの断面が、該光ファイバの長さ方向に細長くなるようにビーム断面を整形する工程を含む請求項１に記載の光ファイバカプラ製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）が、前記光ファイバの融着した部分が延伸されるに従って、該光ファイバの配置された位置におけるビーム断面の長さ方向の寸法を変えず、幅を狭くする工程を含む請求項２に記載の光ファイバカプラ製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）が、凸シリンドリカルレンズで、前記光ファイバの長さ方向に直交する方向にレーザビームを収束させる工程を含む請求項２または３に記載の光ファイバカプラ製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｃ）が、前記凸シリンドリカルレンズをレーザビームの光軸方向に移動させる工程を含む請求項４に記載の光ファイバカプラ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバカプラ製造方法に関し、特に少なくとも２本の光ファイバを、その側面同士を接触させて融着し、融着部分を延伸させる光ファイバカプラ製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１に、２本の光ファイバに炭酸ガスレーザを照射して融着させることにより、光ファイバカプラを製造する方法が開示されている。作製時にレーザパワーを上昇させつつ、溶融範囲を短くして延伸を行うことにより、光ファイバカプラの長さを短くすることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３２４６４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバカプラには、３ｄＢカプラと、ＷＤＭカプラ等がある。３ｄＢカプラは、１本の光ファイバから入力される光信号を、２本の光ファイバに１：１に分岐させる。ＷＤＭカプラは、波長分割多重伝送方式の合波器及び分波器に用いられ、需要の多いカプラである。
【０００５】
図４を参照して、光ファイバカプラの製造方法を説明する。２本の光ファイバを、その側面同士が接触するように保持し、両者が接触している部分に炭酸ガスレーザを照射する。レーザが照射された部分が溶融し、２本の光ファイバが融着される。１本の光ファイバの入力端から光信号を入力し、２本の光ファイバの出力端から出力される光信号の強度を観測しながら、融着部分を延伸する。
【０００６】
図４は、延伸長と、２本の光ファイバから出力される光信号の強度との関係を示す。横軸は延伸長を表し、縦軸は強度比を単位「％」で表す。図中の曲線ＣＨ１は、入力端から光信号が入力されている光ファイバから出力される光信号の強度を示し、曲線ＣＨ２は、もう一方の光ファイバから出力される光信号の強度を示す。
【０００７】
延伸長が０の時、光ファイバＣＨ１から出力される光信号の強度比が１００％であり、光ファイバＣＨ２から出力される光信号の強度比は０％である。延伸長が増加するに従って、光ファイバＣＨ１から出力される光信号の強度比が波状に変化する。波頭から次の波頭までの周期は、延伸長が長くなるに従って徐々に短くなる。光ファイバＣＨ２から出力される光信号の強度比は、光ファイバＣＨ１から出力される光信号の強度比を反転させた波形とほぼ等しい。光ファイバＣＨ１及びＣＨ２の波頭を、グラフの左から順番に（延伸長の短い方から順番に）波頭Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３・・・とする。理想的には、すべての波頭の波高値が１００％になるが、現実には延伸長が長くなるに従って波高値が低下する。
【０００８】
３ｄＢカプラを製造する場合には、光ファイバＣＨ１から出力される光信号の強度比及び光ファイバＣＨ２から出力される光信号の強度比が、共に５０％になった時点で延伸を停止すればよい。
【０００９】
ＷＤＭカプラを製造する場合には、所望の分岐特性が得られた時点で延伸を停止する。例えば、波長１．３１μｍの光信号と波長１．５５μｍの光信号との分波を行う場合について説明する。延伸中に観測する光信号の波長は１．５５μｍであるとする。図４の曲線ＣＨ１とＣＨ２とが５回交差した後、曲線ＣＨ２が極大値を示した時点、すなわち波頭Ｎ６が出現した時点で延伸を停止する。このカプラの光ファイバＣＨ１に、波長１．３１μｍの光信号と波長１．５５μｍの光信号とを入力すると、波長１．５５μｍの光信号が光ファイバＣＨ２から出力され、波長１．３１μｍの光信号が光ファイバＣＨ１から出力される。また、この光ファイバカプラは、波長１．３１μｍの光信号と波長１．５５μｍの光信号との合波器としても機能する。
【００１０】
レーザビームの持つエネルギを有効に利用するために、光ファイバの配置された位置におけるレーザビームの断面が、光ファイバの長さ方向に長い楕円状または長円状にされる。
【００１１】
延伸前の光ファイバのクラッド径は、例えば１２５μｍである。この光ファイバが、側面同士を接触させて２本並ぶと、その合計の幅は２５０μｍになる。この２本の光ファイバを溶融させるためには、光ファイバの配置された位置におけるレーザビームの断面の幅を２５０μｍ以上にしなければならない。通常、レーザビームの断面内において光強度はガウス分布で近似されるため、ビーム断面の縁近傍の光強度は、中心部に比べて低い。このため、幅２５０μｍの領域内に配置された２本の光ファイバを溶融させるためには、ビーム断面の幅を２５０μｍよりも太くしなければならない。
【００１２】
本願発明者の実験によると、２本の光ファイバを溶融させることができた条件と同一の条件で、感熱紙にレーザビームを入射させたところ、感熱紙の焼けた領域の幅は０．６〜１ｍｍであった。すなわち、２本の光ファイバを溶融させるためには、光ファイバの断面の幅を０．６ｍｍ以上にすることが好ましい。
【００１３】
光ファイバの延伸を行うと、そのクラッド径は徐々に細くなる。ＷＤＭカプラの融着部分の光ファイバのクラッド径は約１０μｍであると言われている。このとき、２本の光ファイバが融着した部分の幅は約２０μｍである。この融着部分に照射されるレーザビームの断面の幅が上述のように０．６ｍｍである場合、光ファイバの加熱に有効に利用される部分は、幅０．６ｍｍのうちわずか２０μｍの領域である。このように、延伸が進むとレーザビームのエネルギの利用効率が低下してしまう。
【００１４】
本発明の目的は、レーザビームのエネルギの利用効率を高めることが可能な光ファイバカプラ製造方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、（ａ）少なくとも２本の光ファイバを、両者の側面同士が接触するように保持する工程と、（ｂ）前記光ファイバの接触した部分にレーザビームを照射しながら、該光ファイバの接触した部分を融着させ、延伸させる工程と、（ｃ）前記光ファイバの融着した部分が延伸されるに従って、該光ファイバの配置された位置におけるビーム断面を小さくする工程とを有する光ファイバカプラ製造方法が提供される。
【００１６】
融着した部分が延伸されると、その部分が細くなる。融着部分が細くなるに従って、ビーム断面を小さくするため、レーザビームのエネルギを有効利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に、それぞれ実施例による光ファイバカプラ製造方法で使用される製造装置の概略正面図及び側面図を示す。
【００１８】
基台１の上に、延伸ステージ２が搭載されている。２本の光ファイバ２１及び２２が、延伸ステージ２に取り付けられたファイバクランプ３により保持されている。光ファイバ２１及び２２の一部の被覆が取り除かれ、クラッドの側面同士が接触している。
【００１９】
基台１から上方にレンズ支柱４が延びる。レンズ支柱４に、その上方から下方に向かって、反射鏡５、凹シリンドリカルレンズ６、凸シリンドリカルレンズ７がこの順番に取り付けられている。反射鏡５及び凹シリンドリカルレンズ６は、レンズ支柱４に固定され、凸シリンドリカルレンズ７は昇降可能に保持されている。
【００２０】
レーザ光源１０がレーザビームを出射する。レーザ光源１０は、例えば炭酸ガスレーザ発振器である。レーザ光源１０から出射されたレーザビームが、反射鏡５で下方に反射され、凹シリンドリカルレンズ６、及び凸シリンドリカルレンズ７を透過して、光ファイバ２１及び２２の相互に接触している部分に入射する。
【００２１】
凹シリンドリカルレンズ６は、レーザビームを光ファイバ２１及び２２の長さ方向に発散させる。凸シリンドリカルレンズ７は、レーザビームを、光ファイバ２１及び２２の長さ方向と直交する方向に収束させる。これにより、光ファイバ２１及び２２の位置におけるレーザビームの断面は、光ファイバ２１及び２２の長さ方向に長い楕円状または長円状になる。
【００２２】
図２（Ａ）及び（Ｂ）に、それぞれ凸シリンドリカルレンズ７の昇降機構の正面図及び側面図を示す。
【００２３】
レンズ支柱４にリニアガイドのレール１３が取り付けられ、可動部１２がレール１３に沿って昇降可能に保持されている。凸シリンドリカルレンズ７が、リニアガイドの可動部１２に固定されている。レンズ支柱４に、プーリ１４及び１５が取り付けられている。プーリ１４及び１５は、それぞれレール１３の上端及び下端の高さに相当する位置に取り付けられている。
【００２４】
レンズ支柱４にモータ１７が取り付けられている。モータ１７の回転軸に取り付けられたプーリ１６、プーリ１４及び１５に、タイミングベルト１８が架けられている。タイミングベルト１８のうち、プーリ１４と１５との間の位置に、リニアガイドの可動部１２が把持金具により固定されている。モータ１７を動作させることにより、可動部１２及び凸シリンドリカルレンズ７を昇降させることができる。モータ１７は、制御装置２０により制御される。
【００２５】
図１に戻って説明を続ける。光ファイバ２１及び２２の位置におけるビーム断面の長さは、凹シリンドリカルレンズ６と光ファイバ２１及び２２までの距離に依存する。凹シリンドリカルレンズ６の位置は固定されているため、ビーム断面の長さも固定される。ビーム断面の長さは、例えば２０ｍｍに設定される。
【００２６】
光ファイバ２１及び２２の位置におけるビーム断面の幅は、凸シリンドリカルレンズ７と光ファイバ２１及び２２との距離に依存する。凸シリンドリカルレンズ７を昇降させることにより、ビーム断面の幅を変化させることができる。
【００２７】
光ファイバの延伸が進み、融着した部分が細くなると、ビーム断面の幅を当初の０．６ｍｍより細くしてもよい。例えば、ビーム断面の幅を０．３ｍｍとしても融着部分の全域を加熱することができる場合、凸シリンドリカルレンズ７を移動させて、光ファイバの位置におけるビーム断面の幅を０．３ｍｍにする。このとき、パワー密度は２倍になる。すなわち、ビーム断面の幅を変化させない場合に比べて、レーザ発振器の出力を２倍にしたのと同等の効果を得ることができる。
【００２８】
レーザビームの波長をλ、凸シリンドリカルレンズ７の焦点距離をｆ、凸シリンドリカルレンズ７に入射するレーザビームの幅をＤとすると、ビーム断面の最小幅ｄｍｉｎは、
【００２９】
【数１】
ｄｍｉｎ＝（４λ／π）×（ｆ／Ｄ）
と表すことができる。ビーム断面をより細くするために、凸シリンドリカルレンズ７の焦点距離を短くし、入射ビーム幅を大きくすることが好ましい。実施例においては、凸シリンドリカルレンズ７の焦点距離ｆを４５ｍｍとし、入射ビームの幅Ｄを１２ｍｍとした。この条件では、ビーム断面の幅を０．０５１ｍｍまで細くすることができる。なお、レーザビームの波長λは１０．６μｍである。
【００３０】
ビーム断面の幅を０．０５１ｍｍまで細くすると、ビーム断面の幅が当初の０．６ｍｍであった場合に比べて、パワー密度が約１０倍になる。すなわち、ビーム断面の幅を変化させない場合に比べて、レーザ発振器の出力を１０倍にしたのと同等の効果を得ることができる。
【００３１】
次に、図１を参照して、実施例による光ファイバカプラの製造方法について説明する。まず、２本の光ファイバ２１及び２２の一部の被覆を取り除きクラッドを露出させる。露出したクラッドの側面同士が接触するように、光ファイバ２１及び２２をファイバクランプ３で固定し、延伸ステージ２に保持する。
【００３２】
光ファイバ２１及び２２の位置におけるビーム断面の幅が０．６ｍｍになるように、凸シリンドリカルレンズ７の位置を調節しておく。レーザ光源１０を動作させ、光ファイバ２１及び２２にレーザビームを照射し、溶融させ両者を融着させる。光ファイバ２１及び２２の融着した部分を延伸させる。
【００３３】
延伸が進み、融着部分が細くなると、レーザビームの照射される表面積が小さくなり、吸熱量が減少する。吸熱量の減少を補うために、融着部分が延伸されるに従って、レーザ光源１０の出力を徐々に増加させる。レーザ光源１０の出力が、その装置の最大出力に到達した後は、凸シリンドリカルレンズ７を移動させて、融着部分におけるビーム断面を細くし、パワー密度を増加させる。これにより、実効的にレーザ出力を増加させたのと同等の効果が得られる。
【００３４】
融着部分を延伸している期間は、一方の光ファイバ２１の入力端から観測用の光信号を入力し、光ファイバ２１及び２２の出力端から出力される光信号の強度を観測する。光信号の所望の分岐比が得られた時点で、延伸及びレーザビームの照射を停止する。融着部分を保護部材で覆い、光ファイバカプラが完成する。
【００３５】
上記実施例では、レーザ発振器の出力が、その装置の最大出力になった後に、ビーム断面の幅を細くすることにより、レーザ発振器の最大出力が増加したのと同等の効果を得ることができる。
【００３６】
光ファイバカプラ製造装置の操作者は、レーザ発振器の出力が、その装置の最大出力に達するまでは、レーザ発振器の出力を徐々に増加させる。最大出力に達した後は、凸シリンドリカルレンズ７を移動させればよい。ところが、レーザ出力とレンズの移動量との双方を考慮することは不便である。次に、レーザ発振器の出力のみを考慮することにより、所望の加熱を行うことが可能となる方法について、図１及び図５を参照しながら説明する。
【００３７】
図５に、図１（Ｂ）に示した側面図に相当するレーザビームの経路を示す。図５の紙面に垂直な方向が、ビーム断面の長手方向に相当する。焦点（実際には点ではなく、ビーム断面の幅の最も細い位置）から光源側に向かって距離ｄ０の基準位置Ｒ０に、融着すべき光ファイバが配置されているとする。光ファイバが延伸されるに従って、レーザ発振器１０の出力が徐々に増加される。レーザ発振器１０の出力が最大値に達した後は、凸シリンドリカルレンズ７を上方に移動させる。焦点の位置が上方に移動し、焦点から光ファイバまでの距離がｄになったとする。焦点から距離ｄ０及びｄの位置におけるビーム断面の幅の１／２をそれぞれａ０及びａとする。レーザ光源１０の最大出力をＰＭＡＸとする。
【００３８】
レーザ光源の出力を等価的にＰＭＡＸからＰＭＡＸ＋ΔＰに増大させたい場合を考える。光ファイバの配置された位置におけるパワー密度を（ＰＭＡＸ＋ΔＰ）／ＰＭＡＸ倍にすればよい。光ファイバが配置された位置におけるビーム断面の面積をＰＭＡＸ／（ＰＭＡＸ＋ΔＰ）倍にすることにより、等価的にレーザ光源１０の出力を（ＰＭＡＸ＋ΔＰ）／ＰＭＡＸ倍にした場合と同じパワー密度が得られる。
【００３９】
焦点から光ファイバまでの距離をｄ０からｄにしたことにより、ビーム断面の面積がＰＭＡＸ／（ＰＭＡＸ＋ΔＰ）倍になったとすると、下記の式が成立する。
【００４０】
【数２】
ｄ／ｄ０＝ａ／ａ０＝ＰＭＡＸ／（ＰＭＡＸ＋ΔＰ）
上式から、下記の式が導出される。
【００４１】
【数３】
ｄ０−ｄ＝ｄ０（１−ＰＭＡＸ／（ＰＭＡＸ＋ΔＰ））
上式は、レーザ出力を等価的に最大出力ＰＭＡＸよりもΔＰだけ増加させたい場合には、凸シリンドリカルレンズ７を、ｄ０（１−ＰＭＡＸ／（ＰＭＡＸ＋ΔＰ））だけ上方に移動させればよいことを意味する。
【００４２】
図２（Ｂ）に示した制御装置に、レーザ光源１０の最大出力ＰＭＡＸ、焦点から基準位置Ｒ０までの距離ｄ０が記憶されている。所望の等価パワーＰＭＡＸ＋ΔＰ、または最大出力からの増分ΔＰを指定することにより、凸シリンドリカルレンズ７の移動量を求めることができる。制御装置２０は、求められた移動量に基づいてモータ１７を制御する。
【００４３】
単位時間あたりの等価パワーの増分（等価パワーの増加速度）Δｗ、及び増加速度Δｗで増加させる時間ｔを指定することにより、凸シリンドリカルレンズの移動速度を求めることもできる。ΔＰ＝Δｗ×ｔになるため、式（３）は、
【００４４】
【数４】
ｄ０−ｄ＝ｄ０（１−ＰＭＡＸ／（ＰＭＡＸ＋Δｗｔ））
と表される。凸シリンドリカルレンズ７の移動速度ｖは、
【００４５】
【数５】
ｖ＝ｄ０（１−ＰＭＡＸ／（ＰＭＡＸ＋Δｗｔ））／ｔ
と表される。
【００４６】
例えば、レーザ光源１０の最大出力が２５Ｗ、焦点から基準位置Ｒ０までの距離ｄ０が５ｍｍであり、等価パワーを増加速度０．１Ｗ／ｓで２５０秒間増加させたい場合、凸シリンドリカルレンズ７の移動量は２．５ｍｍ、移動速度は０．０１ｍｍ／ｓになる。実際には、制御装置２０が１０ｍｓ毎にこの計算を行い、モータ１７を制御する。
【００４７】
図５を参照して説明した考察では、光ファイバを焦点よりも光源側に配置したが、光ファイバを焦点通過後のビーム経路内に配置してもよい。このとき、凸シリンドリカルレンズ７の移動量及び移動速度は、上記考察で得られた値と等しく、移動方向が反対になる。すなわち、等価パワーを増加させたい場合には、凸シリンドリカルレンズ７を下方に移動させればよい。
【００４８】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に、それぞれ実施例による方法で使用される他の光ファイバカプラ製造装置の正面図及び側面図を示す。図３に示された製造装置では、図１に示した製造装置の凹シリンドリカルレンズ６の代わりにビームエキスパンダ３０が配置されている。図３に示した製造装置のその他の構成は、図１に示した製造装置の構成と同一である。
【００４９】
ビームエキスパンダ３０は、入射側凸レンズ３０ａ及び出射側凸レンズ３０ｂにより構成される。両者の共焦点の位置にピンホールマスク３０ｃが配置されている。ビームエキスパンダ３０は、レーザビームのビーム径を大きくする。図３（Ｂ）に示すように、凸シリンドリカルレンズ７が、ビーム径の大きくされたレーザビームを収束させる。これにより、光ファイバ２１及び２２の長さ方向に長いビーム断面を有するレーザビームが得られる。凸シリンドリカルレンズ７を昇降させることにより、図１に示した製造装置と同様の効果が得られる。
【００５０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光ファイバの配置された位置におけるビーム断面の面積を変えることにより、光ファイバが細くなった場合でも、レーザビームのエネルギを有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例による光ファイバカプラ製造方法で使用される製造装置の正面図及び側面図である。
【図２】図１に示した製造装置に用いられているレンズ駆動機構の正面図及び側面図である。
【図３】実施例による光ファイバカプラ製造方法で使用される他の製造装置の正面図及び側面図である。
【図４】光ファイバカプラの延伸中における延伸長と、光ファイバから出力される光信号の強度比との関係を示すグラフである。
【図５】レーザビームの焦点近傍のビーム径を示す図である。
【符号の説明】
１  基台
２  延伸ステージ
３  ファイバクランプ
４  レンズ支柱
５  反射鏡
６  凹シリンドリカルレンズ
７  凸シリンドリカルレンズ
８  ビームダンパ
１０  レーザ光源
１２  可動部
１３  レール
１４、１５  プーリ
１６  回転軸
１７  モータ
１８  タイミングベルト
２０  制御装置
２１、２２  光ファイバ
３０  ビームエキスパンダ
３０ａ、３０ｂ  凸レンズ
３０ｃ  ピンホールマスク
【図１】
2005004113.tif 000003
【図２】
2005004113.tif 000004
【図３】
2005004113.tif 000005
【図４】
2005004113.tif 000006
【図５】
2005004113.tif 000007