(57)【要約】【課題】  光分岐点で戻り光が発生せず、光の分岐方向に指向性がある、小さな光分岐デバイスを可能とする光回路部品、及びその製造方法を提供する。【解決手段】  光散乱体として単独の球状の空孔を用い、それをクラッド領域に、コア領域に接するように配置した球孔内包光ファイバであって、該球孔を、二本の光ファイバの切断端面どうしを向かい合わせに配置し、加熱しながら両端を突き合わせて融着する工程において形成する。【選択図】  図１
2009122226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと、コアを取り囲みかつコアよりも屈折率の低いクラッドからなる光ファイバおい
て、単独の球状の空孔が、クラッド領域にコアに接するように配置されていることを特徴
とする球孔内包光ファイバ。
【請求項２】
二本の光ファイバの切断端面どうしを向かい合わせに配置し、加熱しながら両端を突き
合わせて融着する工程の前に、少なくとも片方の端面にあらかじめ凹面を形成し、かつそ
の凹面の中心をコアの中心から外して配置しておくことを特徴とする請求項１に記載の球
孔内包光ファイバの製造方法。
【請求項３】
二本の光ファイバの切断端面どうしを向かい合わせに配置し、加熱しながら両端を突き
合わせて融着する工程において、少なくとも片方の光ファイバは、ファイバヒューズによ
ってコアに空孔列を発生させたものから、空孔列の先頭近傍で切断して空孔列を除去した
ものを用いることを特徴とする請求項１に記載の球孔内包光ファイバの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の球孔内包光ファイバを用いた光回路部品。
【請求項５】
請求項１に記載の球孔内包光ファイバを光回路部品として用いた光分岐デバイスであっ
て、光ファイバのコアを伝搬する光の一部が、球孔において外に散乱されることを特徴と
する光分岐デバイス。
【請求項６】
請求項１に記載の球孔内包光ファイバを光回路部品として用いる光分岐デバイスであっ
て、外部からの光が、球孔を介して該光ファイバのコアに伝搬されることを特徴とする光
分岐デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いた光回路部品及びそれを製造する方法に関するものである
。
【背景技術】
【０００２】
一つの光源から光ファイバを使って異なる複数の場所に光を届けるために、光分岐デバ
イスを光ファイバの途中に挿入して光を分配することが行われる。また、複数の場所から
の光を集めて一つの受光器に光を集める場合でも同様の構成をとるが、この場合、光の進
行方向は逆になる。
代表的な光分岐デバイスに、合分波カプラがある。合分波カプラとしては、光ファイバ
を束ねて融着した溶融型や、必要なパターンを平面光波回路上に形成して作る導波路型が
あり、これらの合分波カプラを用いれば、光損失を最小限に抑えて光を分配でき、また分
岐先の形状も光ファイバとなるので、光の入出力方向の指向性を保つことができる。しか
し、光回路全体が嵩高くなる欠点がある。
【０００３】
また、こうした合分波カプラを使わずに光を分岐する方法として、光を反射あるいは散
乱する構造体を光ファイバのコア領域に配置する方法がある（特許文献１参照）。構造体
としては、気泡などの構造欠陥やコアとの屈折率差の大きい微粒子を使うことができる。
しかしこの方法では、これら構造体の位置を精密に制御できない限り、分岐した光の方向
を制御することが難しい。また、構造体からの反射光が光ファイバを逆行し、光源に戻る
こともある。これはレーザ光源を用いている場合には悪影響を与える恐れがある。
このように、従来の光分岐デバイスにおいては、光回路が嵩高くなったり、分岐した光
の方向制御が難しかったり、戻り光を発生させるという問題点があった。
【０００４】
一方、ファイバヒューズという現象が知られている。この現象は、数Ｗの光を伝搬させ
ている光ファイバ回路の一点を局所的に加熱されることがきっかけで始まるもので、高温
となった場所から突然輝点が現れ、光ファイバに沿って毎秒１ｍ位の速度で光源に向かっ
て移動していき、輝点が通った後のコアの部分には周期的に配列した空孔が残されており
、光ファイバはもはや光を通すことができなくなるものである（非特許文献１，２参照）
。該現象は、放置しておくと光ファイバ回路が全壊してしまう危険な現象であると認識さ
れているにとどまり、該現象を有効利用しようとする試みはなされていない。
なお、光ファイバのコアに小さな気泡を多数導入してイルミネーションやセンサーに利
用する技術は既に存在しているが（特許文献２参照）、ファイバヒューズ現象によって生
成する気泡の半径はコアの半径とほぼ等しい場合が多く、光を遠くに伝搬させるのは困難
である。
【特許文献１】特表２００３−５３６０９８
【特許文献２】特開平７−７２３４１号公報
【非特許文献１】R. Kashyap and K. J. Blow:“Observation of catastrophic self-propelledself-focusing in optical fibres”, Electron. Lett., 24, pp. 47-49 (1988).
【非特許文献２】光ファイバの路芯“溶融伝播．ファイバヒューズ現象とその対策”, 工業材料, 54, 12, pp. 48-51 (2006).
【非特許文献３】S. M. Spillane, T. J. Kippenberg and K. J. Vahala:"Ultralow-threshold raman laser using a sperical dielectric microcavity",Nature, 415,pp. 621--623 (2002).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、光分岐点で戻り光が発生せず、光の分岐方向に指向性がある、小さな
光分岐デバイスを可能とする光回路部品を提供すること、及びその製造する方法を提供す
ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者らが上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、本課題は、光散乱体として単
独の球状の空孔を用い、それをクラッド領域に、コア領域に接する様に配置することで達
成されるという知見を得た。
さらに、検討したところ、前記のファイバヒューズ現象を利用することにより、ファイ
バの融着の際に光ファイバ端面間にトラップされる気泡の位置を光ファイバの中心からず
らすことができることを見いだした。
【０００７】
本発明は、これらの知見に基づいて完成に至ったものであり、以下のとおりのものであ
る。
（１）コアと、コアを取り囲みかつコアよりも屈折率の低いクラッドからなる光ファイバ
おいて、単独の球状の空孔が、クラッド領域にコアに接するように配置されていることを
特徴とする球孔内包光ファイバ。
（２）二本の光ファイバの切断端面どうしを向かい合わせに配置し、加熱しながら両端を
突き合わせて融着する工程の前に、少なくとも片方の端面にあらかじめ凹面を形成し、か
つその凹面の中心をコアの中心から外して配置しておくことを特徴とする（１）に記載の
球孔内包光ファイバの製造方法。
（３）二本の光ファイバの切断端面どうしを向かい合わせに配置し、加熱しながら両端を
突き合わせて融着する工程において、少なくとも片方の光ファイバは、ファイバヒューズ
によってコアに空孔列を発生させたものから、空孔列の先頭近傍で切断して空孔列を除去
したものを用いることを特徴とする（１）に記載の球孔内包光ファイバの製造方法。
（４）（１）に記載の球孔内包光ファイバを用いた光回路部品。
（５）（１）に記載の球孔内包光ファイバを光回路部品として用いた光分岐デバイスであ
って、光ファイバのコアを伝搬する光の一部が、球孔において外に散乱されることを特徴
とする光分岐デバイス。
（６）（１）に記載の球孔内包光ファイバを光回路部品として用いる光分岐デバイスであ
って、外部からの光が、球孔を介して該光ファイバのコアに伝搬されることを特徴とする
光分岐デバイス。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の球孔内包光ファイバは、コアを伝搬する光の一部を、球孔において外に散乱さ
せたり、逆に外からの光の一部を、球孔を介してコアに伝搬させる効果があり、本発明の
球孔内包光ファイバを、光回路部品として用いると、光分岐点で戻り光が生ぜず、光の分
岐方向に指向性がある、小さな光分岐デバイス提供することができる。また、本発明の製
造方法によれば、融着の際に光ファイバ端面間にトラップされる泡の位置を、光ファイバ
の中心からずらすことができるので、コアに外接した球孔を内包する光ファイバを得るこ
とができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
まず、デバイスの発明について説明する。
上記課題を解決する構造の例を鳥瞰図として図１に示す。図中、１は球状の空孔（以下
、「球孔」と記す。）であり、２は光ファイバ内に光を閉じ込めて伝送するために設けら
れたコアであり、３はコアよりも屈折率を低い物質からなるクラッドである。すなわち、
この屈折率分布によりステップインデックス型光ファイバを構成している。球孔１の中心
を含む面で切った断面図を図２に示す。
【００１０】
図２に示すように、コア２を伝搬する光はクラッド３との境界面で全反射して進行する
。クラッド領域３には、コア２から浸み出したエヴァネッセント光が存在するが、その強
度はコアから離れるにつれて指数関数的に減衰する。
本発明の球孔内包光ファイバにおいて、球孔１は、コア２に接する様に、クラッド３に
配置されている。したがって、球孔１はエヴァネッセント光を散乱させるが、その方向に
は強い指向性がある。すなわち、散乱光の最も強い方向は図２右下に示すＹＺ平面内にあ
り、Ｙ方向から微小球孔１を眺めると散乱光が届くが、Ｘ方向から見ると散乱光はほとん
ど観察されない。また、球孔１はコア２には存在しないので、伝搬する光の一部が反射し
て光源方向に戻ることもない。
【００１１】
球孔１は、コア２に接していることが望ましい。コア２から浸み出たエヴァネッセント
光の強度が強い領域を占めている方が、光散乱が強くなるからである。また、球孔１は、
コア２の占める領域に侵入していないことが望ましい。コア２を伝搬する光を反射させ、
戻り光を発生させるからである。
球孔１の半径は、光ファイバの外径、すなわちクラッド径に比べて十分小さいことが望
ましい。光ファイバの機械的強度をなるべく減少させないためである。また、球孔全体が
エヴァネッセント光の存在する領域に存在させ易いためである。
【００１２】
球孔１の中身は、その周囲のガラスと比べて屈折率差が大きい物質で満たされているこ
とが望ましい。屈折率差が大きい程、光散乱強度が大きいためである。空気等の気体が満
たされていれば、ガラスとの屈折率差が約０．５程度となり、十分な光散乱が観察される
。なお以上の説明では、光ファイバが単純なステップインデックス型であることを前提に
したが、多段のステップインデックス型やグレーデッドインデックス型の光ファイバでも
同様の議論が可能である。ただし、これらの光ファイバでは光の伝搬モードも複雑になる
ので、球孔の位置によっては戻り光が発生する場合も考えられる。
また、球孔を形成した後に、ナノメートル規模の加工を行う装置、例えば集束イオンビ
ーム装置を使って、ファイバ側面から球孔を通って反対側のファイバ側面に貫通する孔を
設けると、その貫通孔を使って、クラッドよりも屈折率の高い液体を満たすことができる
。この様な構成を用いれば、従来から提案されている微小球レーザー（例えば非特許文献
３）を実現することができる。非特許文献３に開示されている微小球は、空中に保持され
ており、その配置を安定に保持することは困難だが、本発明の構成を使えば、安定に構造
を保持できる。
【００１３】
次に、本発明の球孔内包光ファイバの製造方法について説明する。
光ファイバの融着接続においては、２本の光ファイバの端面を向かい合わせに配置し、
両端面を加熱しながら突き合わせて溶融することで、１本の光ファイバにする。この時、
端面にあらかじめ凹部を形成しておけば、光ファイバを突き合わせた時に、その凹部にあ
った空気が閉じ込められ、続いて周囲のガラスが溶融するので、最終的に泡となって取り
残される。その泡は、表面張力の影響でその界面の面積を最小にしようとするので、自然
と球形になる。
閉じ込められた空気は、加熱により膨張するので、あらかじめ形成しておく凹部の体積
は、最終的に閉じ込められる泡の体積よりも小さくしておく必要がある。さらに、前述し
たデバイス構造の様に、泡が光ファイバの中心から外れて位置する様にするためには、凹
部の位置もその光ファイバの中心からずらしておかなければならない。なお、融着接続に
よって加熱された部分におけるコアとクラッドの屈折率分布は、加熱されなかった部分の
屈折率分布に比べて変化するのが一般的だが、加熱時間を短くすることでその影響を小さ
くすることができる。
【００１４】
凹部の形成には、光ファイバを切断した後、ナノメートル規模の表面加工を行う装置、
例えば集束イオンビーム装置を使うことができる。融着した後に現れる球孔がコアに接し
ている状態を作るために、あらかじめ凹部の位置をコアの中心から外して形成しておく必
要がある。
【００１５】
また、光ファイバの内部に局所的な熱処理と急冷を施した後に、その領域近傍で切断す
ることでも実現できる。局所的な熱処理として、非特許文献１、２等に記載されたファイ
バヒューズ現象を使うことができる。
図３は、ファイバヒューズ現象を説明する図である。数Ｗの光を伝搬させている光ファ
イバの一部分２１を加熱すると（図３（１））、コアにプラズマ２２が発生し（図３（２
））光源に向かって光ファイバを破壊しながら進んでいく（図３（３））現象である。コ
アの温度は数千度に達すると言われており、プラズマの軌跡には空孔列２３が残されてい
る。
【００１６】
光源を止めるとプラズマも消滅し、光ファイバは急冷される。停止した点には、コアに
生成した空孔列の先頭が位置しているので、その近傍を切断し、空孔列の無い方を利用す
る。この場合、切断面にははっきりとした凹部が現れないが、その光ファイバを融着する
と球孔が残る。
その理由はまだ明確にされていないが、次のような説明が可能である。局所加熱した領
域とその周囲には、加熱急冷に伴う温度変化が場所により異なることに起因するガラス構
造の不均一性が凍結されている。それを融着すると、加熱に伴うガラス構造の緩和が起こ
り、その挙動が場所により異なることから凹面が現れる。その直後にもう一方の光ファイ
バが圧接されて、気体が閉じ込められる。
【００１７】
この局所的熱処理は、コアの中心から外して行う必要は無い。凍結されたガラス構造の
不均一性は、光ファイバの切断挙動にも影響を与え、切断面が非対称になるからである。
その切断面の光学顕微鏡写真の模式図を図４に示す。図中、３１は、ファイバカッターの
刃が当る事によって形成された溝の跡であり、ここからガラスの割れが広がって切断面が
形成されている。点線３２に囲まれた領域は、その回りの領域に比べ白くなっている。
【００１８】
この様な模様が観察される理由は明確になっていないが、次のような説明が可能である
。コア２付近の加熱急冷によって、その付近に残留応力が掛かることになる。その領域を
横断する様に割れが進行すると、コア２に達するまでと、達した後では、割れの進み方に
違いが生ずる。その結果、光学顕微鏡による観察では検知できないようなごく浅い凹面が
形成されている可能性がある。この切断面の非対称性と、先に記述した加熱によるガラス
構造の緩和のいずれか、あるいは両方が原因となって、気体すなわち球孔がコアの中心か
らずれた所に閉じ込められると考えられる。
生成される球孔１がコア２に外接するのは、この様にして作った切断面を用いると、ち
ょうど良い場所に気体がトラップされるためである。この白く写る領域３２は、ファイバ
ヒューズを停止させた場所から離れたところで切断すると現れない。その様な光ファイバ
を融着しても、球孔１は残らない。なお、空孔列の近傍を切断する時に、空孔の一部を残
すことで凹部を形成するのは避ける方が好ましい。その後の融着工程で、加熱の影響でト
ラップされた気体が膨張し、望ましくない大きさの気泡が残るからである。しかし、凹部
の体積が極めて小さければ、望ましい大きさの球孔が残る場合もある。その時、凹部の中
心はコアの中心と一致するが、先に述べた切断面の非対象性との組合せにより、球孔はコ
アの中心から外れた所に閉じ込められる。
【００１９】
光ファイバの内部だけを局所的熱処理する他の方法としては、光ファイバの素材の非線
形吸収が起こる波長の光を、コア近傍で焦点を結ぶ様に外部から照射する、という手段も
考えられる。焦点を結んだ領域にだけ、多光子吸収を起こさせて加熱するのである。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらによ
り何ら限定されるものではない。
【００２１】
シリカガラス製単一モード光ファイバの片方の端を波長１４８０ｎｍのファイバレーザ
に繋ぎ、もう片方を金属に押し当て、７Ｗの光を注入した。金属と光ファイバの接触点が
加熱されてゆき、ほどなく白色の輝点が発生し、光ファイバに沿って毎秒約１ｍのスピー
ドで走り出した。すぐにファイバレーザの電源を落とし、輝点を消滅させた。
消滅した点に残された空孔の近傍で光ファイバを切断し、空孔列が残っていない方に対
し、別の光ファイバを融着接続した。
接続した光ファイバを屈折液に浸し、接続点を光学顕微鏡で観察すると、直径約９μｍ
のコアに外接する様に、直径約３μｍの球状の泡（球孔）が確認された。
【００２２】
ファイバレーザを切り離し、代わりに赤色のレーザ光を注入すると、球孔からの散乱光
が肉眼で観察されたが、その散乱方向には異方性が認められた。図１を用いて説明すれば
、コア２に沿って＋Ｚ方向にレーザ光が伝搬している状態で光学顕微鏡観察すると、散乱
光は球孔１から＋Ｙ方向では観察されるが、±Ｘ方向では観察されなかった。肉眼で観察
すると、散乱光は球孔１からＹＺ平面に平行な方向にもっとも強く散乱していた。
【００２３】
次に赤色レーザを切り離し、図５に示すように別の光ファイバ４を空孔に向かって＋Ｙ方向から近付け、そのファイバに赤色レーザ光を注入して球孔１に照射すると、球孔１からコア２を通って光ファイバの両端に到達する赤い光を肉眼で観察することができた。一方、図５において、球孔のない方向（Ｘ軸方向）から照射した場合には、光ファイバの両端に到達する赤い光を肉眼で観察することができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の球孔内包光ファイバ構造を説明する鳥瞰図である。
【図２】本発明の球孔内包光ファイバ構造を説明する断面図である。
【図３】ファイバヒューズ現象を、時間を追って説明する模式図である。
【図４】ファイバヒューズ現象を利用してコアを加熱急冷させた際に生じた空孔の近傍を切断した面の光学顕微鏡像を説明する模式図である。
【図５】本発明の球孔内包光ファイバにおいて、球孔１に別の光ファイバ４から光を照射した際に、その光の一部がコア２を通ることを説明する鳥瞰図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  球孔
２  コア
３  クラッド
４  別の光ファイバ
２１  光ファイバの一部を加熱した領域
２２  プラズマ
２３  空孔列
３１  ファイバカッターの刃が当たることにより形成された溝の跡
３２  周囲に比べて白く見える領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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