(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆を除去した２本のシングルモードファイバを加熱・延伸して、融着部を形成する光ファイバカプラの製造方法において、
前記被覆を除去した２本のシングルモードファイバを、少なくとも加熱・延伸する部分のクラッド径を予めエッチングにより４０μｍ以下の細径に形成し、この細径部を加熱・延伸して融着させ、この融着部の少なくとも一部を強光結合化し、
前記２本のシングルモードファイバのうち片方のシングルモードファイバの入力端にシングルモード領域の波長の光を入射させ、他方のシングルモードファイバの入力端にマルチモード領域の波長の光を入射させて、片方の出力端ではシングルモード領域の波長の光のみを、他方の出力端ではマルチモード領域の波長の光のみをそれぞれフィルターで分別して取り出し、前記各入力光と前記各出力光とからそれぞれの光結合を演算して表示させ、その光結合を監視しつつ、加熱・延伸し、マルチモード領域の光結合が約５０％に安定し、且つシングルモード領域の光結合が所望の数値となったとき加熱・延伸を止めることを特徴とするシングル・マルチモード光ファイバカプラの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シングルモードファイバを融着・延伸して形成される光ファイバカプラ及びその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは使用するシングルモードファイバのカットオフ波長の両側、すなわちカットオフ波長以上の波長の光信号を伝送するシングルモード領域と、カットオフ波長未満の波長の光信号を伝送するマルチモード領域の双方において所定の分岐比を有するシングル・マルチモード光ファイバカプラ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバの伝送特性のひとつに単一モード条件、すなわち高次モードが遮断（カットオフ）される条件を表す数値としてカットオフ波長と呼ばれるものがある。いまこのカットオフ波長をλC とすると、
【０００３】
【数１】
0003784593.tif 000002
【０００４】
ただし、
ｖC ：カットオフｖ値
Δ：コアとクラッドの比屈折率差≒（ｎ1 −ｎ2 ）／ｎ1 
ｎ1 ：コアの屈折率
ｎ2 ：クラッドの屈折率
ｄ：コア径
であり、シングルモードファイバの場合、
【０００５】
【数２】
0003784593.tif 000003
【０００６】
となる。
式(2) にしたがって比屈折率差Δが０．４％の場合のカットオフ波長λC とコア径ｄとの関係をプロットすると、図７のようになる。したがって、この直線Ｌを境にして、より波長の長い領域がシングルモード領域、短い領域がマルチモード領域である。
【０００７】
シングルモードファイバは、通常このシングルモード領域の光信号を伝送するために用いられるものであるから、その伝送路に用いられるファイバ形カプラもカットオフ波長λC よりも長い波長の光信号を分岐・結合するものしかなかった。
図５は、従来のシングルモードファイバカプラの要部の説明図である。
図５において、図５（ａ１）、（ａ２）は被覆を除去した２本のシングルモードファイバ４０ａ、５０ａを並設した状態を示す説明図で、図５（ａ１）は側面図、同図（ａ２）はそのＹ−Ｙ断面図である。被覆を除去したシングルモードファイバ４０ａ、５０ａは、それぞれコア４１ａ、５１ａ上にクラッド４２ａ、５２ａを有するものである。これを加熱・延伸して、融着させることによりシングルモードファイバカプラ３０が得られる。図５（ｂ１）がその側面図であり、同図（ｂ２）はそのＹ−Ｙ断面図である。
【０００８】
図３は、ファイバ形カプラの融着部の一般的な形成方法の説明図である。
所定長さのシングルモードファイバ４０、５０の中央部の被覆を除去し、被覆を除去したシングルモードファイバの中央部４０ａ、５０ａの両側を延伸具５１、５１にセットする。片方のシングルモードファイバ４０の入力端に半導体レーザ（ＬＤ）などの光源５２を接続し、シングルモードファイバ４０、５０の出力端はフォトダイオード（ＰＤ）などの受光部５４．５５を介してパワーメータ５６、５７に接続され、その出力端は演算部５８に、演算部５８は表示部５９にそれぞれ接続されている。
この状態で、ガスバーナＢにより加熱しつつ延伸具５１、５１により延伸Ｅすることにより、図５（ｂ１）に示す融着部Ｍ30が形成される。シングルモードファイバ４０ａ、５０ａは全体に細くなるが、両者の当接部が変形ｍし、４０ｂ、５０ｂとなる。
【０００９】
光源５２からシングルモードファイバ４０に光パワーＰ0 を入射し、パワーメータ５６、５７の測定値Ｐ1 ，Ｐ2 から演算部５８により、分岐比βが演算され、表示部５９に表示される。
ここに、
光結合Ｃ＝（Ｐ2 ／Ｐ0 ）×１００％                    (3)
分岐比β＝〔Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）〕×１００％          (4)
また、過剰損失をＰL とすると、
ＰL ＝Ｐ0 −（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）                        (5)
【００１０】
シングルモード領域では、光結合Ｃや分岐比βは、波長に対し滑らかな２乗余弦波となり、また延伸Ｅによる延伸量に対しても同様であることが知られている。したがって、表示部５９に表示される分岐比βを監視しながら延伸Ｅし、所定の分岐比βが得られたところで、加熱、延伸を止めれば所望のシングルモードファイバカプラ３０が得られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする問題点】
しかし、上記のシングルモードファイバカプラ３０は、マルチモード領域では、伝搬するモードが二つ以上となり、各モードの波長によって光結合Ｃが異なるため、つぎのような問題があった。
いまモード番号をｉとすると、モード番号１〜ｉのｉ個のモードを持つ光信号の結合量Ｃは、
【００１２】
【数３】
0003784593.tif 000004
【００１３】
ただし、
Ｃi ：ｉモードの光結合
Ｐi ：全体の光量を１としたときのｉモードの分担光量
ΣＰi ＝１
である。
ここに、分担光量Ｐi は、光のファイバへの入射角やファイバの状態（例えば曲げの有無や程度など）によって変わり、ｉモードの光結合Ｃi はモード番号が大きい高次のモード程大きくなる。したがって、高次モードの分担光量が多くなるほど光結合の総和Ｃは大きくなるから、分担光量Ｐi が変わりやすい状態では安定した伝送ができないということになる。
【００１４】
図６は、図５（ｂ１）、（ｂ２）に示す従来のシングルモード光ファイバカプラ３０（波長０．６３３μｍ用でコア径４μｍ、クラッド径１２５μｍの２本の光ファイバを加熱・延伸して融着部を形成したもの）の波長−分岐比特性の説明図であり、図６(a) はシングルモード光ファイバカプラの使用状態の説明図、同図(b) は波長−分岐比特性図である。
図６(a) において、シングルモードファイバカプラ３０には入力ポートＩ1 、Ｉ2 と出力ポートＯ1 、Ｏ2 が設けられており、図示しない光源から入射される光Ｐ0 はシングルモードファイバカプラ３０内で光結合し、シングルモードファイバ４０ｂ、５０ｂに分岐されて、出力ポートＯ1 、Ｏ2 からそれぞれ光Ｐ1 、Ｐ2 が出射される。
図６(b) の曲線Ｓ1 、Ｓ2 は光の波長と、光パワーメータ（図示せず）によって計測された出射光Ｐ1 、Ｐ2 から計算された分岐比β1 、β2 との関係を示す波長−分岐比特性曲線で、ここに、実線Ｓ1 は分岐比β1 ＝〔Ｐ1 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）〕×１００％の対波長特性、点線Ｓ2 は分岐比β2 ＝〔Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）〕×１００％の対波長特性である。
【００１５】
曲線Ｓ1 、Ｓ2 は、カットオフ波長λC 以上の波長（シングルモード領域）では滑らかな２乗余弦波曲線となるが、カットオフ波長λC 未満の波長（マルチモード領域）では、波長の変化によってシャープに変化する。シングルモード領域では、曲線が滑らかであり、延伸量を変えると２乗余弦波の位相が変化することが知られているから、延伸量に対応する所望の分岐比が容易に得られる。
ところがマルチモード領域では、曲線の勾配が大きく僅かに波長や延伸量が異なっても分岐比βが変動する上、光のファイバへの入射角やファイバの状態が異なるとまた変動し、その変動幅も５０±３０％という範囲に及ぶという問題があった。
【００１６】
そしてまた、コア間に介在するクラッド層が厚いので、過剰損失ＰL が大きいという問題もあった。
【００１７】
本発明は、上記のような問題点を解消し、使用するシングルモードファイバのカットオフ波長以上の波長（シングルモード領域）とカットオフ波長未満の波長（マルチモード領域）の双方において所定の分岐比を有するシングル・マルチモード光ファイバカプラ及びその製造方法を提供しようとするものであり、特に光の入射角やファイバの状態によってマルチモード領域での分岐比の変動が小さくかつ過剰損失の少ないシングル・マルチモード光ファイバカプラ及びその製造方法を提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載のシングル・マルチモード光ファイバカプラの製造方法は、被覆を除去した２本のシングルモードファイバを加熱・延伸して、融着部を形成する光ファイバカプラの製造方法において、前記被覆を除去した２本のシングルモードファイバを、少なくとも加熱・延伸する部分のクラッド径を予めエッチングにより４０μｍ以下の細径に形成し、この細径部を加熱・延伸して融着させ、この融着部の少なくとも一部を強光結合化し、前記加熱・延伸する部分のクラッド径を、前記被覆を除去したシングルモードファイバのクラッド径を予めエッチングにより減径し、前記２本のシングルモードファイバのうち片方のシングルモードファイバの入力端にシングルモード領域の波長の光を入射させ、他方のシングルモードファイバの入力端にマルチモード領域の波長の光を入射させて、片方の出力端ではシングルモード領域の波長の光のみを、他方の出力端ではマルチモード領域の波長の光のみをそれぞれフィルターで分別して取り出し、前記各入力光と前記各出力光とからそれぞれの光結合を演算して表示させ、その光結合を監視しつつ、加熱・延伸し、マルチモード領域の光結合が約５０％に安定し、且つシングルモード領域の光結合が所望の数値となったとき加熱・延伸を止めることを特徴とする。これにより、容易にクラッド径を４０μｍ以下の細径に形成でき、その後、加熱・延伸して融着部を形成するので、被加熱部の熱容量が小さく、少なくともその一部を容易に強光結合化することができる。したがって、シングルモード領域と、マルチモード領域の両方の波長の光信号を安定した分岐比で伝送できるとともに過剰損失の少ないシングル・マルチモード光ファイバカプラが容易に得られる。被加熱部の径が４０μｍを超えるときは、熱容量が大きいため、加熱温度を上げるか、加熱時間を長くしなければならず、そのため延伸が円滑に行われない。また、強光結合化によりマルチモード領域で安定した分岐比を有するとともにシングルモード領域で所望の分岐比を有するシングル・マルチモード光ファイバカプラの融着部が容易に形成される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面にもとづいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明のシングル・マルチモード光ファイバカプラ及びその製造方法の実施の形態例の説明図であり、図２、図３は、融着部の形成方法の説明図である。
図１（ａ１）はシングル・マルチモード光ファイバカプラ１を構成するシングルモードファイバ１０の被覆を除去した部分１０ａの側面図であり、同図（ａ２）はそのＹ−Ｙ断面図である。シングルモードファイバ１０ａは、コア１１ａ上にクラッド１２ａを有するものであり、通常コア径は４〜１０μｍ、クラッド径は１２５μｍであり、波長が長いほどその伝搬に適したファイバのコア径は大きくなる。
【００２３】
図１（ｂ１）は、中央部をフッ化水素酸（フッ酸）によりエッチングして減径したシングルモードファイバ１０ｂの側面図であり、同図（ｂ２）は、そのＹ−Ｙ断面図である。クラッド１１ｂの径はコア１２ｂの径の１０倍以下まで減径する。同様にシングルモードファイバ２０を用意し、被覆を除去した部分の中央部をエッチングしてそのクラッド径をシングルモードファイバ１０ｂと同じように４０μｍ以下まで減径する。
【００２４】
図１（ｃ１）は、クラッドを減径したシングルモードファイバを並設してその減径した細径部分を当接させた状態の側面図であり、同図（ｃ２）はそのＹ−Ｙ断面図である。１０ｃ、２０ｃは、その状態の２本のシングルモードファイバであり、１１ｃ、２１ｃは、それぞれのコア、１２ｃ、２２ｃはそれぞれのクラッドを示す。
【００２５】
図１（ｄ１）は、上記並設した状態の細径部を、後述する方法で加熱・延伸し、融着させて融着部Ｍ1 を形成したシングル・マルチモード光ファイバカプラ１の側面図であり、同図（ｄ２）はそのＹ−Ｙ断面図である。加熱・延伸は、融着部Ｍ1 において、シングルモード光ファイバ１０ｄ、２０ｄのコア１１ｄ、２１ｄ間にクラッドが存在しない状態、すなわち、強光結合化した状態まで行われ、融着部Ｍ1 では、コア１１ｄ、２１ｄは一体となってコア２を形成し、クラッド１２ｄ、２２ｄも一体となってクラッド３を形成する。
【００２６】
次に、図２に基づいて、融着部Ｍ1 の形成方法の詳細について説明する。
図３で説明した一般的なシングルモード光ファイバカプラ３０の融着部形成方法と同一の部分は同一の符号で示す。
所定長さのシングルモードファイバ１０、２０の中央部の被覆を除去し、その中央部のクラッドをエッチングにより減径したシングルモードファイバ１０ｃ、２０ｃを延伸具５１、５１にセットする。両方のシングルモードファイバ１０、２０の入力端に半導体レーザなどの光源５２、５３を接続し、シングルモードファイバ１０、２０の出力端はローパスフィルタ６０、ハイパスフィルター６１を介してフォトダイオードなどの受光部５４、５５に接続する。受光部５４、５５の出力端は、パワーメータ５６、５７に接続され、その出力は演算部６２に入力される。演算部６２には、光源５２、５３の電気信号化された出力光パワーＰA0、ＰB0も入力され、この出力光パワーＰA0、ＰB0と受光パワーＰB 、ＰA から光結合ＣB 、ＣA が演算され、表示部６３、６４に表示される。
【００２７】
例えば、光源５２をマルチモード領域の波長のもの、光源５３をシングルモード領域の波長のものとし、ローパスフィルタ６０はカットオフ波長未満の波長の光を、ハイパスフィルタ６１はカットオフ波長以上の光を通過させるものとする。
この状態で、ガスバーナＢにより加熱しつつ延伸具５１、５１により延伸Ｅすることにより、図１（ｄ１）に示す融着部Ｍ1 を形成する。その際、光源５２からシングルモードファイバ１０に波長がシングルモード領域の光パワーＰA0を入射し、光源５３からはシングルモードファイバ２０に波長がマルチモード領域の波長の光パワーＰB0を入射する。パワーメータ５６の測定値ＰB は、ローパスフィルタ６０を通過したものであるから、シングルモードファイバ２０に入射した光パワーＰB0  のうちシングルモードファイバ１０に光結合した光パワーである。したがって、この数値から演算部６２において、光結合ＣB ＝（ＰB ／ＰB0）×１００％が演算される。また、パワーメータ５７の測定値ＰA は、シングルモードファイバ１０に入射した光パワーＰA0のうちシングルモードファイバ２０に光結合した光パワーである。したがって、この数値から演算部６２において、光結合ＣA ＝（ＰA ／ＰA0）×１００％が演算される。
【００２８】
式(3) 〜(5) から明らかなように、過剰損失が非常に小さい場合、
Ｐ0 ≒Ｐ1 ＋Ｐ2 
となるから、
Ｃ≒β
となる。
しかるに、強光結合化されたシングル・マルチモード光ファイバカプラにおいては、過剰損失は極めて小さいから、光結合ＣA 、ＣB はそれぞれ分岐比βA 、βB にほぼ等しくなる。
したがって、表示部６３に示される分岐比βB を監視しながら、分岐比βB が５０％前後の安定した数値となり、かつ表示部６４に表示される分岐比βA が所望の数値になったとき、加熱・延伸を止めることにより、所望の融着部Ｍ1 が形成される。
【００２９】
また、融着部の形成方法は上記に限らず、図３に示す一般的な融着部形成方法において、シングルモード領域での分岐比βが所望の値になるまで加熱・延伸するという方法でもよい。
なお、この実施形態例では、シングルモードファイバのクラッド径が４０μｍ以下に形成する方法として、通常のシングルモードファイバの被覆を除去した部分のクラッドをフッ酸等によりエッチングして減径する方法を用いたが、減径の方法はこれに限定されない。また、最初からクラッド径が４０μｍ以下に形成されたシングルモードファイバを用いてもよい。
【００３０】
以上のようにして形成されたシングル・マルチモード光ファイバカプラは、例えば、マルチモード領域とシングルモード領域の双方で使用できる。したがって、マルチモード領域の可視光で内部鏡として用い、シングルモード領域の赤外光でレーザーメスとして用いるなど、医療用器具等に用いることができる。
【００３１】
【実施例】
コア径４μｍ、クラッド径１２５μｍの波長０．６３３μｍ用のシングルモードファイバを用い、所定の長さ約３００ｃｍの試料２本をそれぞれ中央部の被覆約３ｃｍを除去した後、その中央部のクラッドをフッ酸でエッチングして外径を３５μｍとした。
その２本のシングルモードファイバの中央部を加熱しつつ、約１０ｍｍ延伸してシングル・マルチモード光ファイバカプラを作製した。
得られたシングル・マルチモード光ファイバカプラの波長−光結合特性は図４に示すとおりであった。
図４において、図４(a) はシングル・マルチモード光ファイバカプラ１の波長−分岐比特性の説明図であり、図４(b) はシングル・マルチモード光ファイバカプラ１の使用状態の説明図、同図(b) は波長−光結合特性である。
図４(a) において、シングル・マルチモード光ファイバカプラ１には入力ポートＩ1 、Ｉ2 と出力ポートＯ1 、Ｏ2 が設けられており、図示しない光源から入射される光ＰA0はシングル・マルチモード光ファイバカプラ１内で光結合し、シングルモードファイバ１０ｄ、２０ｄに分岐されて、出力ポートＯ1 、Ｏ2 からそれぞれ光ＰA1、ＰA2として出射される。
【００３２】
図４(b) の曲線ＳＭ1 、ＳＭ2 は光の波長と図示しない光パワーメータによって計測された出射光ＰA1、ＰA2から計算された分岐比βA1、βA2との関係を示す波長−分岐比特性曲線で、ここに、実線ＳＭ1 は分岐比βA1＝〔ＰA1／（ＰA1＋ＰA 2 ）〕×１００％の対波長特性、点線ＳＭ2 は分岐比βA2＝〔ＰA2／（ＰA1＋ＰA2）〕×１００％の対波長特性である。図４から明らかなように、マルチモード領域における分岐比がほぼ５０±２０％の範囲内に入るようになった。これは、従来のシングルモード光ファイバカプラのマルチモード領域における分岐比約５０±３０％に比べて、大きな改善であり、マルチモード領域における使用が可能となった。
【００３３】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、請求項１記載の発明によれば、容易にクラッド径を４０μｍ以下の細径に形成でき、その後、加熱・延伸して融着部を形成するので、被加熱部の熱容量が小さく、少なくともその一部を容易に強光結合化することができる。したがって、シングルモード領域と、マルチモード領域の両方の波長の光信号を安定した分岐比で伝送できるとともに過剰損失の少ないシングル・マルチモード光ファイバカプラが容易に得られる。また、強光結合化によりマルチモード領域で安定した分岐比を有するとともにシングルモード領域で所望の分岐比を有するシングル・マルチモード光ファイバカプラの融着部が容易に形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシングル・マルチモード光ファイバカプラの要説明図である。
【図２】本発明のシングル・マルチモード光ファイバカプラの融着部形成方法の説明図である。
【図３】本発明のシングル・マルチモード光ファイバカプラの別の融着部形成方法の説明図である。
【図４】本発明の一実施例の波長−分岐比特性を示す図である。
【図５】従来のシングルモード光ファイバカプラ及びその製造方法の説明図である。
【図６】従来のシングルモード光ファイバカプラの波長−分岐比特性を示す図である。
【図７】カットオフ波長とコア径の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  本発明のシングル・マルチモード光ファイバカプラ
２  本発明のシングル・マルチモード光ファイバカプラの強光結合化されたコア
３  本発明のシングル・マルチモード光ファイバカプラのクラッド
１０、２０、４０、５０  シングルモードファイバ
１０ａ、２０ａ、４０ａ、５０ａ  シングルモードファイバの被覆除去部
３０  シングルモード光ファイバカプラ
５１  延伸具
５２、５３  光源
５４、５５  受光部
５６、５７  パワーメータ
６２  演算部
６３、６４  表示部
【図１】
0003784593.tif 000005
【図２】
0003784593.tif 000006
【図３】
0003784593.tif 000007
【図４】
0003784593.tif 000008
【図５】
0003784593.tif 000009
【図６】
0003784593.tif 000010
【図７】
0003784593.tif 000011