JP2002311248A - 光遅延素子とその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で低損失の光遅延素子を提供する。 【解決手段】 細口径単一モード光ファイバを使用し
て、光遅延素子を構成することを、特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、標準以下の外径を
有する、単一モード光ファイバを、収容することにより
構成された、小型にして低損失の光遅延素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】光通信や光計測の分野において、光信号
処理装置を構成する部品として光遅延素子がしばしば用
いられる。例えば、二つの光信号の相関処理には不可欠
の要素であり、片方の光信号に対して他方の光信号を相
関させる場合、両信号の位相を正確に制御する必要があ
る。このような場合、光遅延素子が用いられるが、従
来、遅延素子としては、光通信用のシリカ系光ファイバ
によって構成されたものやプリズム等によって構成され
たもの、さらに平面基板上に形成された光導波路によっ
て構成されたものが用いられていた。

【０００３】プリズム等により構成される遅延素子は、
通常、光学台上にミラーやプリズムによって往復する光
路を構成し、その光路の長さを調整して遅延量をきめる
ものである。そのため、遅延量は正確に決定することが
できるが、遅延の絶対量そのものは極めて小さい。ま
た、光学台上に構成するものであるから実験的用途には
適するものの通信システム装置のように、架台に取り付
ける装置には全く使用することはできない。

【０００４】光ファイバで構成される遅延素子では、遅
延量はその長さに依存する。そのため、遅延量は基本的
には長さによって精度良く制御できる。例えば、光伝送
システムでは、電子回路による処理時間に関連して、サ
ブマイクロ秒程度の遅延量が必要になることがあり、こ
の遅延量を得るためには、１００ｍ程度の長さのファイ
バが必要となる。また、光ファイバは損失が低いため、
数ｋｍの長さの光ファイバを用いることも可能であり、
そのため、大きな遅延量を得ることもできる。

【０００５】しかしながら、光ファイバを用いた光遅延
素子に対しては、その収容方法が重要な問題となる。例
えば、光ファイバを円筒コイル状に巻いて収容する方法
がある。遅延素子に用いられる通信用の光ファイバは保
護用の樹脂被覆層によって通常２５０ミクロンの外径に
なっている。このような光ファイバを長さ数１００ｍに
わたって円筒コイル状に巻いた場合、曲げによる光損失
を生じることのない内径４ｃｍ外形６ｃｍ程度に巻いて
も、円筒高さ方向の厚みが数ｃｍとなり、伝送装置に多
数収容するにはあまりに厚すぎる。そのため、光ファイ
バをコイル状に巻いた遅延素子は、この高さを低減する
ことが困難である。また、さらに直径を小さくし、コイ
ル状に巻くと、巻きに伴う応力の発生によって遅延量が
必ずしもファイバ長に対応したものとならず、また、応
力によって光信号の偏波状態が変化してしまう等の問題
が生じる。また、コイルの直径を小さくすると、曲げに
よる損失が生じる。このように、光ファイバをコイル状
に巻いた遅延素子では小型化が困難である。

【０００６】この問題を改善するため、収容方法を工夫
した光ファイバ遅延素子として、光ファイバボードを用
いる方法がある。これは、樹脂フィルム上に所定の長さ
の光ファイバを、例えば、八の字上に周回させて置き、
さらにその上部から樹脂フィルムでラミネートしてファ
イバを固定したものである。このタイプの光遅延素子
は、上記の円筒状のものに較べ、薄くできるが、大きな
面積を必要とし、小型化できないという問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】光通信システム装置に
用いる場合、光ファイバボードタイプの光遅延素子は、
構造が簡単で安価に大きな遅延量が精度良く得られるた
め有効ではあるが、光通信システム装置に多数組み込む
には、大きすぎると言う問題点があった。本発明は、従
来の光ファイバーを用いた上述の問題を解決し、小型で
低損失化の光遅延素子を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するため鋭意検討を進めたところ、標準に比べて
細径の単一モード光ファイバを用いて、これを収容して
なる光遅延素子を構成すれば、光通信システムに必要な
十分な遅延量を確保できる小型で低損失な光遅延素子を
作製できることを見出し、本発明に到達したものであ
る。

【０００９】すなわち、通信用シリカ系光ファイバは、
標準では、クラッド外径が１２５ミクロン、樹脂被覆層
の外径が２５０ミクロンになっている。光ファイバの開
発初期には、クラッド外径が１１０〜１５０ミクロンと
一定ではなかった。これは、光学特性や機械的強度特性
等の観点から決められていたもので、その後現在の寸法
が標準化されたものである。単一モード光ファイバの場
合、光強度の分布がクラッド部にも広がっていることか
ら、少なくともコア直径の５倍程度のクラッド外径が必
要とされており、１２倍を越えると伝送特性の改善はな
いと考えられている。単一モード光ファイバのコア直径
は通常８ミクロン程度であるため、伝送特性に著しい影
響が生じなくなるためには４０ミクロン程度のクラッド
外径があれば良いことになる。また、機械的強度や光学
特性を改善するために、シリカ系光ファイバでは、表面
保護用の樹脂被覆層が必要であるが、樹脂の種類にも依
存するが、少なくとも数ミクロンの厚さの樹脂被覆層が
あれば、機械的強度特性の改善にはかなりの効果があ
り、細径の光ファイバを使用することができる。

【００１０】一方、細径の単一モード光ファイバとし
て、樹脂製の光ファイバを使用する事ができる。

【００１１】例えば、全フッ素化樹脂製の光ファイバー
では、近赤外の光通信波長域での光損失が低減すること
から波長１．５ミクロンでも損失が２０ｄＢ／ｋｍ以下
のものが作製できる。これらのものとして、全フッ素化
樹脂光ファイバにルキナ［旭硝子（株）製商品名］があ
る。これまで、このような樹脂製光ファイバは、グレー
デッド型の屈折率分布を有する多モード光ファイバとし
て実用化されているのみであった。これは、樹脂の特徴
である可とう性や、軽量、低価格であることを利用し、
コスト的な優位性が発揮できる近距離の光リンクシステ
ム等への応用を目指して接続が容易なコア径の大きな多
モード光ファイバの開発が進められてきたためである。

【００１２】樹脂製光ファイバの特徴としてシリカ系光
ファイバと異なり、保護用の被覆層がなくても断線し難
いことが挙げられる。この性質を利用すると、シリカ系
光ファイバのような保護用の厚い樹脂被覆層を必要とし
ない細径の光ファイバを作製し、これを必要な遅延量の
長さの樹脂製単一モード光ファイバ用とし、光遅延素子
を作成することができる。

【００１３】すなわち、本発明は、外径が４０ミクロン
以上、１２５ミクロン以下で、コア直径の５倍から１２
倍の範囲に相当する外径のクラッドを有する、単一モー
ド光ファイバを使用し、小型の光遅延素子と、その製造
方法を提供するものである。

【００１４】光ファイバはシリカ系、または樹脂製のも
のを使用し、樹脂製光ファイバは、近赤外の光通信波長
域での光損失が低減する全フッ素化樹脂であることが好
ましい。

【００１５】また、これらの細経ファイバを基板上に互
いに交差することなく、周回的パターン配置によって収
容し、小型、薄型の光遅延素子が作成できる。

【００１６】さらに、樹脂製単一モード光ファイバを基
板上に収容固定して遅延素子とする場合、該樹脂製単一
モード光ファイバの温度変化による光路長の変化を相殺
するように該基板の熱膨張係数を設定し、周囲の温度変
化による遅延素子の遅延量の変動を防ぐことができる。

【００１７】本発明は、これらのようにシリカ系、樹脂
製の細径光ファイバを用いて小型の光遅延素子を実現す
るものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例を示すシ
リカ系単一モード光ファイバの断面図であって、１はコ
ア、２はクラッド、３は被覆層である。図２は、細径単
一モード光ファイバを基板上に渦巻状に配置収容して、
光遅延素子を作製した構成図であり、７は細径単一モー
ド光ファイバ、４は基板、５は入力ポート、６は出力ポ
ートである。

【００１９】図3は、本発明の実施例を示す樹脂製単一
モード光ファイバの断面図であって、１はコア、２はク
ラッドである。

【００２０】これらの細経ファイバを紫外線硬化型の接
着剤で基板に固定し小型薄型の遅延素子が作製できる。

【００２１】細経の光ファイバーは保護層のあるものも
含めて、外径は８０ミクロン程度のものを使用すると、
通常の光ファイバが２５０ミクロンの外径であることに
比べてほぼ三分の一の外径である。そのため、同じ長さ
の光ファイバを、円筒型のコイル状に巻いた場合、コイ
ル体積をほぼ十分の一に減少させることができる。

【００２２】以下、実施例により本発明を具体的に説明
する。

【００２３】

【実施例】〔実施例１〕図１は、本発明の実施例を示す
単一モード光ファイバの断面図であって、１はコア、２
はクラッド、３は被覆層である。このシリカ系光ファイ
バのカットオフ波長は、１．２ミクロン、コア−クラッ
ドの比屈折率は０．３５％であり、クラッド外径は７０
ミクロンである。このファイバはコア直径が約８ミクロ
ンであるので、７０ミクロンのクラッド外径は光ファイ
バの光学特性を確保する上で十分な大きさである。クラ
ッド表面には厚さ５ミクロンの紫外線硬化型樹脂による
保護層が被覆されており、保護層も含めて光ファイバの
外径は８０ミクロンである。このような光ファイバは、
通常の光ファイバが２５０ミクロンの外径であることに
比べてほぼ三分の一の外径である。そのため、同じ長さ
の光ファイバを、例えば円筒型のコイル状に巻いた場
合、コイル体積がほぼ十分の一に減少する。

【００２４】本実施例において、１００ｍの光ファイバ
を張力が加わらないようにドーナツ状に巻いて、内径４
ｃｍ、幅５ｍｍ、高さ１ｍｍのドーナツ状の円板コイル
を作製した。これは、外径２５０ミクロンの同じ長さの
シリカ系光ファイバをコイル状に巻いた場合、幅が１０
ｍｍ、高さが５ｍｍとなることに比べて大幅に小型化で
きている。

【００２５】細径の光ファイバを用いて作製した光遅延
素子に入出力用の光ファイバを接続し、光学特性を測定
した。この光遅延素子の遅延量は光ファイバの長さに比
例する。光損失は、波長１．５５ミクロンで１．７ｄ
Ｂ、遅延時間は０．４２３８マイクロ秒であった。この
素子による遅延は、厳密には、接続した入出力光ファイ
バの光路長分に相当する遅延も含まれるが、入手光ファ
イバによる遅延は相対的には極めて小さいため、細径光
ファイバによる遅延で代表できる。なお、損失が標準光
ファイバに比べてやや高いが、これは被覆層を薄くして
も保護効果を損なわないために硬度の大きな樹脂を用い
たためである。

【００２６】このように、細径の光ファイバをコイル状
に巻いて光遅延素子を構成すると標準寸法の光ファイバ
を用いた場合に比べて極めて小型で低損失の光遅延素子
が実現可能となった。

【００２７】〔実施例２〕図２は、図１に示した細径単
一モード光ファイバを基板上に渦巻状に配置収容して光
遅延素子を作製した場合の構成図であり、７は細径のシ
リカ系単一モード光ファイバ、４は基板、５は入力ポー
ト、６は出力ポートである。渦巻き中央部の曲げ半径を
１ｃｍとして稠密に配置することによってほぼ８．５ｃ
ｍの外径で１００ｍの細径光ファイバを収容し、紫外線
硬化型の接着剤で直径１０ｃｍ、厚さ０．４ｍｍの基板
に固定した。遅延素子寸法としては基板寸法とほぼ同じ
であり、小型薄型の遅延素子を作製した。さらに、５、
６の入出力ポートに入出力光ファイバを接続し、遅延素
子の特性を測定した。遅延は０．４１７３マイクロ秒で
あり、光損失は２．８ｄＢであった。

【００２８】このように、基板上に細径単一モード光フ
ァイバを渦巻状に収容固定しても小型の光遅延素子を構
成することができた。この場合、素子寸法は殆ど基板寸
法と同じであるが、基板があるので取り扱いの利便性が
向上する利点がある。

【００２９】〔実施例３〕図３は、本発明の実施例を示
す全フッ素化樹脂を材料として作製した単一モード光フ
ァイバの断面図であって、１はコア、２はクラッドであ
る。樹脂材料としては、市販の非晶質パーフルオロポリ
マーを用いて作製した。この樹脂製光ファイバのカット
オフ波長は、１．２ミクロン、コア−クラッドの比屈折
率は０．３５％であり、クラッド外径は８０ミクロンで
ある。このファイバはコア直径が約９ミクロンであるの
で、８０ミクロンのクラッド外径は光ファイバの光学特
性を確保する上で十分な大きさである。このような樹脂
製光ファイバは、シリカ系光ファイバが２５０ミクロン
の外径であることに比べてほぼ三分の一の外径である。
そのため、同じ長さの光ファイバを、例えば円筒型のコ
イル状に巻いた場合、コイル体積がほぼ十分の一に減少
する。

【００３０】本実施例において、１００ｍの光ファイバ
を張力が加わらないようにドーナツ状の円板コイル状に
巻いて、内径を４ｃｍとして幅を５ｍｍ、高さ１ｍｍの
円板コイルを作製した。これは、外径２５０ミクロンの
同じ長さのシリカ系光ファイバを同じ内径の内径のコイ
ル状に巻いた場合、幅が１０ｍｍ、高さが５ｍｍとなる
ことに比べて大幅に小型化できている。

【００３１】作製した樹脂光ファイバによる光遅延素子
に入出力用の光ファイバを接続し、特性を測定した。こ
の光遅延素子の遅延量は樹脂製光ファイバの光路長、従
って、光ファイバ長に比例する。光損失は、波長１．５
５ミクロンで１５．７ｄＢ、遅延時間は０．４１２３マ
イクロ秒であった。この素子による遅延は、厳密には、
接続した入出力光ファイバの光路長分に相当する遅延も
含まれるが、入手光ファイバによる遅延は相対的には極
めて短いため、樹脂光ファイバによる遅延で代表でき
る。

【００３２】このように、細径の光ファイバをコイル状
に巻いて、光遅延素子を構成するとシリカ系光ファイバ
を用いた場合に比べて極めて小型で低損失の光遅延素子
が作成できた。

【００３３】〔実施例４〕図３に示した樹脂製単一モー
ド光ファイバを基板上に渦巻状に配置収容して図２に示
す光遅延素子を作製した。３は樹脂製単一モード光ファ
イバ、４は基板、５は入力ポート、６は出力ポートであ
る。渦巻き中央部の曲げ半径を１ｃｍとして稠密に配置
することによってほぼ８．５ｃｍの外径で１００ｍの樹
脂光ファイバを収容し、紫外線効果型の接着剤で直径１
０ｃｍ、厚さ０．５ｍｍの基板に固定した。遅延素子寸
法としては基板寸法とほぼ同じの小型薄型の遅延素子を
作製した。さらに、５、６の入出力ポートに入出力光フ
ァイバを接続し、遅延素子の特性を測定した。遅延は
０．４０６０マイクロ秒であり、光損失は１６．８ｄＢ
であった。

【００３４】このように、基板上に樹脂製単一モード光
ファイバを渦巻状に収容固定しても小型、薄型の光遅延
素子を構成することができる。この場合、素子寸法は殆
ど基板寸法と同じであるが、基板があるので取り扱いの
利便性が向上した。

【００３５】〔実施例５〕実施例４で示した光遅延素子
において、熱膨張係数の異なる基板を用いて光遅延素子
を作製した。基板はシリコンおよびフッ化カルシウムを
用いた。これらの光遅延素子の遅延量の温度変化を測定
したところ、シリコン基板を用いた場合、変化量は０．
０１２％／℃であったが、フッ化カルシウム基板をもち
いると変化量は０．００７％／℃に低減した。

【００３６】このように、熱膨張係数の異なる基板を用
いると樹脂光ファイバの光路長の温度依存性を低減する
ことができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明の方法によれば、細径光ファイバ
を用いて、小型で低損失な光遅延素子を作成することが
できる。

【００３８】すなわち、細径光ファイバは、標準光ファ
イバに比べて外径が小さいので、所定の長さのの細径単
一モード光ファイバを収容して光遅延素子を構成した場
合、標準光ファイバを用いて構成した光遅延素子に比べ
て大幅に小型化できる。遅延量は光ファイバの長さに比
例するので正確に長さの光ファイバを用いることにより
遅延量の精度の高い光遅延素子を構成できる。さらに、
光ファイバを基板上に収容して構成した場合、遅延素子
が小型であるため、通信システム装置に多数組み込むこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例による光遅延素子を構
成するシリカ系単一モード光ファイバの断面図である。

【図２】図２は、単一モード光ファイバを基板上に収容
固定して構成した光遅延素子の構成図である。

【図３】図３は、本発明の実施例による光遅延素子を構
成する樹脂製単一モード光ファイバの断面図である。

【符号の説明】

１ コア ２ クラッド ３ 樹脂被覆層 ４ 基板 ５ 入力ポート ６ 出力ポート ７ 光ファイバ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の長さの単一モード光ファイバを収
   容してなる光遅延素子であって、該単一モード光ファイ
   バにおいて、外径が、４０ミクロン以上、１２５ミクロ
   ン以下で、コア直径の５倍から１２倍の範囲に相当する
   外径のクラッドを有する単一モード光ファイバを収容し
   てなることを特徴とする光遅延素子。
2. 【請求項２】 単一モード光ファイバがシリカ系、また
   は樹脂製である請求項１記載の光遅延素子。
3. 【請求項３】樹脂製単一モード光ファイバが全フッ素化
   樹脂を材料としていることを特徴とする請求項１、また
   は請求項２記載の光遅延素子。
4. 【請求項４】単一モード光ファイバが所定の基板上に互
   いに交差することなく周回的パターン配置によって収容
   されていることを特徴とする請求項１記載の光遅延素
   子。
5. 【請求項５】 樹脂製単一モード光ファイバが基板上に
   収容固定されており、該樹脂製単一モード光ファイバの
   温度変化による光路長の変化を相殺するように該基板の
   熱膨張係数が設定されていることを特徴とする請求項
   １、請求項２、請求項３、または請求項４記載の光遅延
   素子。