JP3829665B2 - 光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、溶融延伸されて製造される光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバカプラは、第1及び第2の光ファイバが並列配置され、溶融延伸されて製造される。その構成を図17に示す。図17に示された光ファイバカプラ1では、第1の光ファイバ10の第1端11より入力された光は、その波長に応じた分岐比で溶融延伸部30においてパワー分岐され、第1の光ファイバ10の第2端12および第2の光ファイバ20の第2端22それぞれより出力される。ただし、波長によっては分岐比が1:0または0:1である。この場合には、第1の光ファイバ10の第1端11より入力した光は、第1の光ファイバ10の第2端12および第2の光ファイバ20の第2端22の何れか一方より出力される。このような光ファイバカプラ1は、1つの端子に入力した光をパワー分岐して2つの端子より出力する光分岐器、異なる端子に入力した2つの波長域の光を合波して1つの端子より出力する光合波器、1つの端子に入力した2つの波長域の光を分波して異なる端子より出力する光分波器、等として用いられる。
【0003】
例えば、光ファイバカプラ1は、光ファイバ増幅器において光合波器として用いられる。この場合、光ファイバカプラ1は、光ファイバ増幅器に含まれる光増幅媒体(例えば、Er元素添加光ファイバ)において光増幅される信号光(例えば、波長1.55μm帯のもの)と、この光増幅媒体に供給される励起光(例えば、波長0.98μmのもの)とを合波する。具体的には、この光ファイバカプラ1は、光増幅されるべき信号光が第1の光ファイバ10の第1端11に入力されるとともに、励起光源より出力された励起光が第2の光ファイバ20の第1端21に入力されると、これら信号光と励起光とを合波して、その合波したものを第1の光ファイバ10の第2端12より光増幅媒体へ向けて出力する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような光ファイバカプラ1では、過剰損失が小さいことが要求される。ここで、光ファイバカプラ1において、第1の光ファイバ10の第1端11にパワーP11の光が入力される場合について考える。このとき、第1の光ファイバ10の第2端12より出力される光のパワーをP12とし、第2の光ファイバ20の第2端22より出力される光のパワーをP22とすると、
【数1】
なる式で表される過剰損失が小さいことが要求される。
【0005】
理想的な光ファイバカプラの場合、図18(a)に示すように、第1の光ファイバ10の第2端12より出力される光のパワーP12と、第2の光ファイバ20の第2端22より出力される光のパワーP22とは、ほぼ上下対称的な波形となる。そして、かかる光のパワーP12とパワーP22との合計は、第1の光ファイバ10の第1端11に入力される光のパワーP11とほぼ等しくなり、過剰損失はほとんど生じない。
【0006】
しかしながら、光ファイバカプラを構成する光ファイバは、二つの波長の光をともに単一モードで伝搬させるため、カットオフ波長が短波長側の光の波長よりも短く設定されている。従って、長波長側の光のコア部への閉じ込めが弱くなり、光ファイバを小さい曲率半径で曲げると長波長側の光の損失が増加し、過剰損失が生じ易くなる。また、光のコア部への閉じ込めが弱いと光のパワーが外に広がり易く、光ファイバカプラ製造の際の加熱源(ヒータ、バーナ)等の熱のゆらぎによって生じる微小な外形変動により一部の光が光ファイバの外部へ漏れ、図18(b)に示すように、出力パワーが波長に対して変動することがある。この場合、第1の光ファイバ10の第2端12より出力する光のパワーP12と、第2の光ファイバ20の第2端22より出力する光のパワーP22との合計は、第1の光ファイバ10の第1端11に入力される光のパワーP11よりも小さくなり、過剰損失が生じてしまう。
【0007】
これに対し、過剰損失の低減を図るべく、例えば特開平7−301722号公報には、いわゆる二重コア型の屈折率プロファイルを有する光ファイバを用いて製造された光ファイバカプラが開示されている。ここで、二重コア型の屈折率プロファイルとは、光軸中心から順に第1コア領域(屈折率n1)、第2コア領域(屈折率n2)およびクラッド領域(屈折率n3)を有しており、各屈折率の大小関係がn1>n2>n3であるものである。
【0008】
しかしながら、上記公報に開示された光ファイバカプラは、二重コア型の屈折率プロファイルを有する光ファイバを用いて製造されることで過剰損失が低減されるとしているものの、過剰損失の低減の程度が充分でない。
【0009】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、過剰損失が充分に低減された光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバカプラは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラであって、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする。
【0011】
この光ファイバカプラでは、第1及び第2の光ファイバそれぞれのクラッド部の屈折率は径方向外側に向かって順次低下しているため、微小な曲がり等の外乱の影響を受けても、コア部の周辺に広がった光は外部に放射されることなくコア部に戻ることができ、過剰損失を充分に低減することができる。
【0012】
本発明に係る光ファイバカプラは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラであって、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、光軸中心からの径方向の距離をrとし、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率を基準とするコア部内の位置rにおける比屈折率差をΔn(r)とし、比屈折率差Δn(r)が位置rpeakでピーク値Δnpeakであるとし、コア半径をaとしたときに、「rpeak≦r≦a」の範囲において比屈折率差Δn(r)が「Δn(r) ≦Δnpeak[1−(r/a)3]」なる関係を満たすことを特徴とする。
【0013】
この光ファイバカプラでは、第1および第2の光ファイバそれぞれのコア部が、かかるプロファイルであるため、曲げ損失が小さくなって過剰損失を充分に低減することができる。
【0014】
本発明に係る光ファイバカプラは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラであって、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、光軸中心からの径方向の距離をrとし、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率を基準とするコア部内の位置rにおける比屈折率差をΔn(r)とし、比屈折率差Δn(r)が位置rpeakでピーク値Δnpeakであるとし、コア半径をaとしたときに、「rpeak≦r≦a」の範囲において比屈折率差Δn(r)が「Δn(r) ≦Δnpeak[1−(r/a)3]」なる関係を満たし、かつ、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、クラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする。
【0015】
この光ファイバカプラでは、第1および第2の光ファイバそれぞれのクラッド部の屈折率は径方向外側に向かって順次低下しているため、微小な曲がり等の外乱の影響を受けてもコア部の周辺に広がった光は外部に放射されることなくコア部に戻ることができ、過剰損失を充分に低減することができる。しかも、第1および第2の光ファイバそれぞれのコア部が、かかるプロファイルであるため、曲げ損失が小さくなり、過剰損失を充分に低減することができる。
【0016】
本発明に係る光ファイバカプラでは、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、クラッド部の屈折率の低下の割合は、径方向の所定領域において、その内側及び外側よりも大きいことを特徴としてもよい。このようにすれば、クラッド部を多段で構成することが可能となる。
【0017】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、クラッド部の横断面における平均屈折率と最小屈折率との差が0.02%以下であると好ましい。差が0.02%を超えると、クラッド部ではその屈折率分布によってマルチモードになり、光ファイバカプラに加工したときに高次モードに変換されて過剰損失が発生し易くなる傾向にあるからである。
【0018】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、クラッド部の屈折率分布は、SiO2ガラス中における塩素原子、GeO2、及びOH基のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成されていることを特徴としてもよい。あるいは、クラッド部の屈折率分布は、光ファイバの線引き時に与えられる内部歪みの分布によって形成されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、上記したクラッド部の屈折率分布を容易に実現することが可能となる。
【0019】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、「rpeak≦r≦a」の範囲において比屈折率差Δn(r)が「Δnpeak[1−(r/a)]≦Δn(r)≦Δnpeak[1−(r/a)2.5]」なる関係を満たすことを特徴としてもよい。このようにすれば、第1および第2の光ファイバそれぞれは、曲げ損失がより小さくなって過剰損失をより充分に低減することができる。
【0020】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、比屈折率差Δn(r)は、0≦r≦a/2の範囲の距離rにおいてピーク値Δnpeakをとることを特徴としてもよい。このようにすれば、ファイバのコア部中心の凹部の影響によるカプラ化時の損失を低減することができる。
【0021】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、カットオフ波長λcが、使用最長波長より300nm以上短波長側に存在することを特徴としてもよい。この範囲において、従来知られているステップ型屈折率分布のファイバに比較して、カプラにした際の過剰損失をより低減する効果が大きい。
【0022】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、カットオフ波長λcが、980nmより短い波長側に存在することを特徴としてもよい。このようにすれば、エルビウム添加ファイバ型増幅器のように、波長980nmと1500〜1610nm帯の合分波器において、過剰損失を低めたカプラを形成することが可能である。
【0023】
また本発明に係る光ファイバカプラでは、第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、1.5μm〜1.6μm波長帯(1.50μm〜1.65μm)における曲げ損失が、曲げ半径15mmにおいて1dB/m未満であることでより有効に働く。このようにすれば、第1及び第2の光ファイバそれぞれの曲げ損失が小さくなり、過剰損失を充分に低減することができる。また、カプラ収容の際、ピッグテイル部の曲率を小さくできる利点もある。
【0024】
本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバは、上記した本発明に係る光ファイバカプラに用いるのに好適な光ファイバである。すなわち、本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラ用の光ファイバであって、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする。
【0025】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラ用の光ファイバであって、光軸中心からの径方向の距離をrとし、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率を基準とするコア部内の位置rにおける比屈折率差をΔn(r)とし、比屈折率差Δn(r)が位置rpeakでピーク値Δnpeakであるとし、コア半径をaとしたときに、「rpeak≦r≦a」の範囲において比屈折率差Δn(r)が「Δn(r) ≦Δnpeak[1−(r/a)3]」なる関係を満たすことを特徴とする。
【0026】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバは、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラ用の光ファイバであって、光軸中心からの径方向の距離をrとし、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率を基準とするコア部内の位置rにおける比屈折率差をΔn(r)とし、比屈折率差Δn(r)が位置rpeakでピーク値Δnpeakであるとし、コア半径をaとしたときに、「rpeak≦r≦a」の範囲において比屈折率差Δn(r)が「Δn(r) ≦Δnpeak[1−(r/a)3]」なる関係を満たし、かつ、クラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする。
【0027】
本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、クラッド部の屈折率の低下の割合は、径方向の所定領域においてその内側及び外側よりも大きいことを特徴としてもよい。
【0028】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、クラッド部の横断面における平均屈折率と最小屈折率との差が0.02%以下であることを特徴としてもよい。
【0029】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、クラッド部の屈折率分布は、SiO2ガラス中における塩素原子、GeO2、及びOH基のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成されていることを特徴としてもよい。
【0030】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、クラッド部の屈折率分布は、光ファイバの線引き時に与えられる内部歪みの分布によって形成されていることを特徴としてもよい。
【0031】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、「rpeak≦r≦a」の範囲において比屈折率差Δn(r)が「Δnpeak[1−(r/a)]≦Δn(r)≦Δnpeak[1−(r/a)2.5]」なる関係を満たすことを特徴としてもよい。
【0032】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、比屈折率差Δn(r)は、0≦r≦a/2の範囲の距離rにおいてピーク値Δnpeakをとることを特徴としてもよい。
【0033】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、カットオフ波長λcが、使用最長波長より300nm以上短波長側に存在することを特徴としてもよい。
【0034】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、カットオフ波長λcが、980nmより短い波長側に存在することを特徴としてもよい。
【0035】
また本発明に係る光ファイバカプラ用の光ファイバでは、1.5μm〜1.6μm波長帯(1.50μm〜1.65μm)における曲げ損失が、曲げ半径15mmにおいて1dB/m未満であることを特徴としてもよい。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0037】
まず、本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係る光ファイバカプラ1の構成を示す図である。図1に示すように、光ファイバカプラ1は、使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバ10,20を並列配置し、融着延伸部30において融着延伸して製造したものである。かかる光ファイバカプラ1を構成する光ファイバ10,20は、コア部10a,20aとコア部10a,20aの周りに設けられたクラッド部10b,20bを有している。
【0038】
図2は、かかる光ファイバカプラ1に用いる光ファイバ10,20の屈折率分布の一例を示している。図2に示すように、コア部10a,20aの屈折率は、単一モードの光伝送が可能なように、クラッド部10b,20bの屈折率よりも高くなっている。コア部10a,20aの屈折率n、半径a、使用波長λ、コア部10a,20aとクラッド部10b,20bの内側部分との比屈折率差Δnの関係は、通常次の(2)式を満足する。
【0039】
【数2】
【0040】
図2では、コア部10a,20aの屈折率は平坦な一定値として図示しているが、コア部10a,20aの実効屈折率が上記(2)式を満足するものであれば、平坦なものに限るものではない。また、コア部10a,20aの屈折率分布は中央部が高くなった放物線状の形状でも構わないし、それ以外の屈折率分布形状とすることもできる。
【0041】
クラッド部10b,20bは、横断面半径方向の外側に向かって、屈折率が順次低下する屈折率分布を有する。クラッド部10b,20bの最も内側の部分とクラッド部10b,20bの最も外側の部分との比屈折率差は、0.005%〜0.02%程度とする。クラッド部10b,20bの屈折率の傾斜は必ずしも一定でなくても良いが、半径方向の外側に向かって屈折率が上昇する部分のないようにする。屈折率の傾斜がほぼ一定である場合は、その傾斜率は約−3×10-4%/μm程度とすることによって、クラッド部10b,20bの最も内側の部分と最も外側の部分との比屈折率差を約0.005%〜0.02%とすることができる。
【0042】
図3は、第1の実施形態に係る光ファイバカプラ1に用いる光ファイバ10,20の屈折率分布の他の例を示している。図3において、コア部10a,20aの周りにはクラッド部10b,20bが設けられおり、このクラッド部10b,20bは内クラッド部10b’,20b’と外クラッド部10b’’,20b’’とから構成されている。図3の場合においても、コア部10a,20aは単一モードの光伝送が可能なように、図2の場合と同様に設計されている。
【0043】
内クラッド部10b’,20b’及び外クラッド部10b’’,20b’’の屈折率は、それぞれ光ファイバ10,20の横断面半径方向の外側に向かって、徐々に低下している。なお、内クラッド部10b’, 20b’と外クラッド部10b’’,20 b’’のそれぞれの屈折率傾斜割合は必ずしも同じにする必要はない。また、内クラッド部10b’,20b’と外クラッド部10b’’,20b’’との境界では、内クラッド部10b’,20b’内及び外クラッド部10b’’,20b’’内での屈折率低下割合よりも大きい屈折率割合で急激に低下している。また、内クラッド部10b’,20b’の最も内側の部分の屈折率と、外クラッド部10b’’,20b’’の最も外側の部分との比屈折率差は約0.005%〜0.02%とする。また内クラッド部10b’,20b’の外径は70μm以下が望ましく、約30μm〜50μm程度が最も好ましい。なお、内クラッド部10b’,20b’と外クラッド部10b’’,20b’’との境界における比屈折率差は0.007%〜0.015%が好ましい。
【0044】
また、図3では、クラッド部10b,20bを内クラッド部10b’,20b’と外クラッド部10b’’,20b’’との2段に分ける例を示したが、3段とすることもできるし、またそれ以上の段数とすることもできる。この場合は、クラッド部10b,20bの最も内側の部分と最も外側の部分との比屈折率差を0.005%〜0.02%程度とする。また、クラッド部10b,20bの半径方向外側に向かって屈折率が順次上昇する個所のないようにしなければならない。また、内クラッド部10b’,20b’と外クラッド部10b’’,20b’’との境界の屈折率分布は、図3に示すような屈折率が不連続に低下するものに限られず、内クラッド部10b’,20b’内及び外クラッド部10b’’,20b’’内よりも大きい傾斜で連続的に低下する分布とすることもできる。
【0045】
また、図2及び図3の場合と共に、クラッド部10b,20bの横断面における平均屈折率と最小屈折率との比屈折率差が0.02%を超えると、クラッド部10b,20bではその屈折率分布によってマルチモードになり、光ファイバカプラに加工したときに高次モードに変換されて過剰損失が発生し易くなる傾向にあるため、クラッド部10b,20bの横断面における平均屈折率と最小屈折率との比屈折率差は0.02%以下とすることが望ましい。
【0046】
クラッド部10b,20bの屈折率分布は、SiO2ガラス中における塩素原子、GeO2(二酸化ゲルマニウム)、及びOH基(水酸基)のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成することができる。この中でも、屈折率をわずかに変化させるためには、クラッド部10b,20bを形成する主材料である二酸化珪素に塩素又は塩素化合物を添加して達成することが望ましい。クラッド部10b,20bが二酸化珪素からなる多孔質ガラスからなる母材を、多孔質ガラスが収縮しない900℃〜1300℃の温度領域で、塩素ガス又は塩素化合物ガス(四塩化炭素、四塩化珪素等)の雰囲気中にて処理して多孔質ガラスに塩素を添加した後、塩素ガス又は塩素化合物ガスを供給しない雰囲気中で加熱処理を行うことによって、多孔質ガラスの表面から塩素の一部を離脱させることにより、母材の表面の方の塩素の添加量を低くすることができる。
【0047】
また、多孔質ガラスからなる母材の形成時に、母材の外周部分の嵩密度を高くするか多孔質ガラスの粒子の質量に対する表面積の割合を小さくするかすれば、塩素雰囲気処理中でのガラス粒子表面への塩素の吸着拡散量は少なくなり、母材の外周部分の塩素添加量を小さくすることができる。また、塩素を1重量%添加すると屈折率は約0.1%大きくなるので、所望の屈折率に合わせて塩素の添加量を調整すればよい。
【0048】
また、クラッド部10b,20bの屈折率分布は0.02%程度のわずかな比屈折率差の変化量で十分なので、光ファイバ10,20の線引き時の冷却速度を調整することによって、クラッド部10b,20bの内部に半径方向に変化した歪みを形成して、その歪みの応力を使って所望の屈折率分布を達成することも可能である。例えば、線引き時の冷却雰囲気としてヘリウムガスを使用すれば、線引き時のガスの熱伝導度が大きいので、光ファイバ10,20の表面が急冷され粘度が下がり、線引き張力を受けて引っ張り歪みが内部歪みとして残り易くなる。この内部歪みによる光弾性効果によって屈折率が低下するため、母材のクラッド部に表面部分の屈折率を低くした屈折率分布を形成することができる。なお、線引き張力が大きい場合の方が、この屈折率分布形成の効果を生じ易い。
【0049】
次に、第1の実施形態に係る光ファイバカプラの具体的な実施例について説明する。
【0050】
実施例1では、図2に示す屈折率分布を有する光ファイバ10,20 を用いて光ファイバカプラ1を形成した。なお、コア部10a,20aの外径は4.5μm、クラッド部10b,20bの外径は125μm、コア部10a,20aとクラッド部10b,20bの最も内側の部分との比屈折率差は1.1%、クラッド部10b,20bの最も内側の部分とクラッド部10b,20bの最も外側の部分との比屈折率差は0.02%とした。また、クラッド部10b,20bの屈折率の傾斜率は平均で−3.3×10-4 %/μmとした。
【0051】
実施例2では、図3に示す屈折率分布を有する光ファイバ10,20を用いて光ファイバカプラ1を形成した。なお、コア部10a,20aの外径は4.5μm、内クラッド部10b’,20b’の外径は40μm、外クラッド部10b’’,20b’’の外径は125μm、コア部10a,20aと内クラッド部10b’,20b’の最も内側の部分との比屈折率差は1.1%、内クラッド部10b’,20b’の最も内側の部分と外クラッド部10b’’,20b’’の最も外側の部分との比屈折率差は0.02%、内クラッド部10b’,20b’と外クラッド部10b’’,20b’’との境界部分の比屈折率差は0.008%とした。また、内クラッド部10b’,20b’及び外クラッド部10b’’,20b’’の屈折率の傾斜率はそれぞれ平均で−2×10-4 %/μmとした。
【0052】
比較例1では、図4に示す屈折率分布の光ファイバを用いて光ファイバカプラを形成した。なお、コア部30aの外径は4.5μm、クラッド部30bの外径は125μm、コア部30aとクラッド部30bとの比屈折率差は1.1%とした。また、クラッド部30bの屈折率は半径方向で一定とした。
【0053】
比較例2では、図5に示す屈折率分布の光ファイバを用いて光ファイバカプラを形成した。なお、コア部30aの外径は4.5μm、内クラッド部30b’の外径は30μm、外クラッド部30b’’の外径は125μm、コア部30aとクラッド部30bとの比屈折率差は1.1%とした。また、内クラッド部30b’の屈折率よりも外クラッド部30b’’の屈折率を高くし、その比屈折率差は0.015%とした。
【0054】
実施例1,2及び比較例1,2について、光ファイバカプラに加工したときの、本線側及び支線側への分岐損失及び過剰損失を調べた。図6〜9は、実施例1,2及び比較例1,2それぞれの、本線側への分岐損失(L1で示す)、支線側への分岐損失(L2で示す)及び過剰損失(L3で示す)の典型的な事例を示すグラフである。左縦軸は本線側及び支線側へのそれぞれの分岐パワーの入力パワーに対する分岐損失を、右縦軸は本線側及び支線側の分岐パワー合計の入力パワーに対する過剰損失を示す。実施例1,2では、過剰損失がほぼ0.1dB以下であるが、比較例1,2のものは過剰損失が0.1dB〜0.3dBと大きい。
【0055】
また、波長1.55μm帯で0.1dBを超える過剰損失のものを不良とした結果、それぞれの歩留まり率は、実施例1が80%、実施例2が95%、比較例1が50%、比較例2が10%であった。これらの結果から、実施例のものは比較例のものと比較して、過剰損失が少ないことを確認することができた。
【0056】
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
【0057】
まず、第2の実施形態に係る光ファイバカプラの背景について、図10〜図13を用いて説明する。図10は、光ファイバのモードフィールド径と曲げ損失との関係を示す図である。この図では、光ファイバの屈折率プロファイルとして3種類のものを想定した。何れの光ファイバもコア部の屈折率プロファイルが
【数3】
なる式で表されるα乗分布で表されるものである。
【0058】
ここで、aは光ファイバのコア半径であり、rは光軸中心からの径方向の距離であり、Δn(r)は位置rにおける比屈折率差であり、Δnpeakは比屈折率差のピーク値である。なお、比屈折率差はクラッド部の屈折率を基準とする。図10には、カットオフ波長を948nmとして、α=1,α=2およびα=102それぞれの場合について、波長1550nmにおけるモードフィールド径と曲げ損失(曲げ径20mmφ)との関係が示されている。
【0059】
また、図11は、光ファイバのα値と曲げ損失との関係を示す図である。これら図10および図11から判るように、光ファイバのモードフィールド径が小さいほど、光ファイバの曲げ損失は小さい。また、光ファイバのα値が小さいほど、光ファイバの曲げ損失は小さい。これは、カットオフ波長が一定であれば、α値が小さいほど、コア径が大きくなり、コア部への光の閉じ込め率が高くなるからであると考えられる。
【0060】
図12は、光ファイバの曲げ損失とこの光ファイバを用いた光ファイバカプラの過剰損失との関係を示す図である。この図でも、波長1550nmにおける曲げ損失(曲げ径20mmφ)と過剰損失との関係が示されている。この図から判るように、光ファイバの曲げ損失が小さいほど、光ファイバカプラの過剰損失が小さい。また、図10〜図12から、カットオフ波長が一定であれば、α値が小さいほど、この光ファイバを用いた光ファイバカプラの過剰損失が小さいことが判る。
【0061】
図13は、光ファイバのα値と比屈折率差ピーク値との関係を示す図である。ここでは、モードフィールド径およびカットオフ波長それぞれを一定とした。この図から判るように、α値が小さいほど、比屈折率差ピーク値Δnpeakが大きくなる。しかし、比屈折率差ピーク値Δnpeakが大きい光ファイバは製造が容易ではない。
【0062】
ところで、光ファイバから光ファイバカプラが製造される際には、その光ファイバカプラが使用される状況が考慮された上で、光ファイバのモードフィールド径やカットオフ波長が適切に設計される。そして、過剰損失の低減の為には、α値は小さい方が好ましい。すなわち、光ファイバカプラに用いられる光ファイバのコア部の屈折率プロファイルは、α値が大きいステップ型の屈折率プロファイルより、α値が3以下である屈折率プロファイルが好ましく、特にα値が1〜2.5である屈折率プロファイルが好ましい。本願発明は以上のような知見に基づいてなされたものである。
【0063】
次に、第2の実施形態に係る光ファイバカプラについて説明する。本実施形態に係る光ファイバカプラ1は、図1に示したものと同様に、第1及び第2の光ファイバ10,20が並列配置され、溶融延伸されて製造されたものである。第1の光ファイバ10および第2の光ファイバ20それぞれは、石英ガラスをベースとするものであって、コア部10a,20aとこれを取り囲むクラッド部10b,20bとを含み、コア部10a,20aに屈折率上昇剤(例えばGeO2)が所定の径方向分布で添加されている。
【0064】
そして、第1及び第2の光ファイバ10,20それぞれは、光軸中心からの径方向の距離をrとし、クラッド部10b,20bの屈折率を基準とするコア部10a,20a内の位置rにおける比屈折率差をΔn(r)とし、比屈折率差Δn(r)が位置rpeakでピーク値Δnpeak(=Δn(rpeak))であるとし、コア半径をaとしたときに、「rpeak≦r≦a」の範囲において比屈折率差Δn(r)が
【数4】
関係を満たす。また、好適には、「rpeak≦r≦a」の範囲において比屈折率差Δn(r)が
【数5】
なる関係を満たす。このような条件が満たされることにより、光ファイバ10,20の曲げ損失は小さく、光ファイバカプラ1の過剰損失も小さい。
【0065】
なお、第2の実施形態にかかる光ファイバカプラ1では、第1及び第2の光ファイバ10,20それぞれについて、1.5μm〜1.6μm波長帯(1.50μm〜1.65μm)における曲げ損失が、曲げ半径15mmにおいて1dB/m未満であると好ましい。このようにすれば、第1及び第2の光ファイバ10,20それぞれの曲げ損失が小さくなり、カプラを形成したときの過剰損失を充分に低減することができる。
【0066】
図14は、本実施形態に係る光ファイバカプラ1に用いられる光ファイバ10,20の屈折率プロファイルを説明する図である。この図には、α=1の場合の上記(3)式の直線A、α=2.5の場合の上記(3)式の曲線B、および、α=3の場合の上記(3)式の曲線Cそれぞれが示されている。第1の光ファイバ10および第2の光ファイバ20それぞれの比屈折率差Δn(r)は、「rpeak≦r≦a」の範囲において、直線Aと曲線Cとの間にあり、より好適には直線Aと曲線Bとの間にある。
【0067】
なお、「0≦r<rpeak」の範囲においては、比屈折率差Δn(r)は、直線Aと曲線Cとの間にあってもよいが、直線Aと曲線Cとの間になくてもよい。例えば、比屈折率差Δn(r)がピーク値Δnpeakとなる位置は光軸中心でなくてもよく、光軸中心(r=0)における比屈折率差Δn(0)はピーク値Δnpeakより小さくてもよい。ただし、比屈折率差Δn(r)は、0≦r≦a/2の範囲の距離rにおいてピーク値Δnpeakをとると好ましい。このようにすれば、ファイバのコア部中心の凹部の影響によるカプラ化時の損失を低減することができる。
【0068】
また、光ファイバ10,20のカットオフ波長λCは、使用する最短波長より短い必要がある。この際、使用する最長波長での曲げ損失が低減できると、カプラにした際の過剰損失が小さい。例えば、励起光波長980nmであって、波長1.55μm帯の信号光を光増幅する光増幅器において、光合波器として光ファイバカプラ1が用いられる場合、光ファイバ10,20のカットオフ波長λCは980nm以下で、使用最長波長は1570nmにまで伸びるので、その波長差は590nmにもなる。曲げ損失に対する特徴は、使用波長とカットオフ波長λCとの差が大きいほど顕著に現れる。特に、300nm以上の波長差がある場合に、上記3乗以下の放物線型屈折率分布の効果が大きい。
【0069】
図15は、α=2の屈折率プロファイルを有する光ファイバの設計を説明する図である。この図では、コア径を横軸とし比屈折率差ピーク値を縦軸とする2次元平面上に、カットオフ波長λCが各値(900nm,940nm,980nm)となるライン、波長980nmにおけるモードフィールド径MFDが各値(3.8μm,4.0μm,4.2μm)となるライン、および、波長1550nmにおける曲げ径15mmφでの曲げ損失αBが各値(10-3dB/m,10-2dB/m,10-1dB/m,1dB/m)となるラインが示されている。なお、曲げ径15mmφでの曲げ損失αBは曲げ径20mmφでの曲げ損失の10倍程度であり、また、実際に製造された光ファイバの曲げ損失は設計上の光ファイバの曲げ損失の10倍程度であるから、設計上の曲げ径15mmφでの曲げ損失αBは実際の曲げ径20mmφでの曲げ径と同程度とみなすことができる。
【0070】
Er元素添加光ファイバを光増幅媒体として用いた励起光波長980nmの光増幅器において光合波器として光ファイバカプラ1が用いられる場合、この光ファイバカプラ1に用いられる光ファイバ10,20のカットオフ波長λCは、980nm以下であることが必要である。また、波長980nmにおける光ファイバ10,20の曲げ損失αB(曲げ径15mmφ)は、0.1dB/m以下であることが望ましい。また、波長980nmにおける光ファイバ10,20のモードフィールド径MFDは、3.8μm以上4.6μm以下であるのが好ましい。図15中のハッチング領域は、これらの諸条件が全て満たされる好適範囲を示している。
【0071】
この図15中のハッチング領域から判るように、比屈折率差が1.26%以下である範囲では、光ファイバ10,20のコア径は、上限がカットオフ波長λCで規定され、下限が曲げ損失αBで規定される。比屈折率差が1.26%以上である範囲では、光ファイバ10,20のコア径は、上限がカットオフ波長λCで規定され、下限がモードフィールド径MFDで規定される。また、比屈折率差が1.20%以上1.26%以下である範囲で、コア径の変動は±4%程度まで許容される。この光ファイバカプラ用の光ファイバ10,20のコア径の許容範囲(±4%程度)は、通常の分散シフト光ファイバや分散補償光ファイバにおけるコア径の許容範囲(±0.5%程度)と比べて広いので、このような光ファイバの製造が容易となる。
【0072】
なお、α値が大きいステップ型の屈折率プロファイルの場合には、上記のカットオフ波長、モードフィールド径および曲げ損失の諸条件が満たされる好適範囲は存在しない。以上のように、光ファイバカプラ1用の光ファイバ10,20のコア部10a,20aの屈折率プロファイルが適切に設計されることにより、光ファイバ10,20の曲げ損失が低減され、また、光ファイバカプラ1の過剰損失も低減される。さらに、光ファイバ10,20の製造が容易であり、ひいては、光ファイバカプラ1の製造が容易であり、歩留まりが優れ、製造コストが安価となる。
【0073】
次に、本実施形態に係る光ファイバカプラ1に用いられる光ファイバ10,20の製造方法(ロッドインチューブ法)の一例を説明する。初めに、コアロッド、第1クラッドパイプおよび第2クラッドパイプを用意する。コアロッドは、石英ガラスにGeO2が添加されていて上述した屈折率プロファイルを有するものであって、α=2であり、比屈折率差の最大値が1.20%以上1.25%以下である。第1クラッドパイプおよび第2クラッドパイプそれぞれは、塩素脱水処理した石英ガラスのパイプであって、内壁に近いほど塩素濃度が高い。第1クラッドパイプは、内壁近傍における塩素濃度が例えば2500ppm程度のものである。一方、第2クラッドパイプは、内壁近傍における塩素濃度が例えば1200ppm程度のものである。
【0074】
コアロッドは、延伸されて外径5.5mmφ程度とされ、その後、HF溶液で外周面がエッチングされる。このコアロッドは第1クラッドパイプに挿入され、両者は、コラプスされて外径24mmφとされ、延伸されて外径9.5mmφとされ、その後、HF溶液で外周面がエッチングされて外径7.0mmφとされる。さらに、HF溶液処理後のコアロッドおよび第1クラッドパイプは第2クラッドパイプに挿入され、これらは、コラプスされて外径24mmφとされ、さらに、延伸、ジャケット付け、焼結(但し、塩素脱水無し)、延伸の各工程を経て、光ファイバ母材とされる。なお、光ファイバ母材は、例えばVAD法等の他の製造方法により製造してもよい。
【0075】
そして、この光ファイバ母材が線引されて、光ファイバが製造される。この光ファイバは、上述した本実施形態に係る光ファイバカプラ1に用いられる光ファイバ10,20である。さらに、これら第1の光ファイバ10と第2の光ファイバ20とが並列配置され溶融延伸されて、本実施形態に係る光ファイバカプラ1が製造される。
【0076】
図16は、以上のようにして製造された光ファイバ母材の屈折率プロファイルを示す図である。同図(b)は、同図(a)を縦軸方向に拡大したものである。この光ファイバ母材は、光軸中心から順にコア部、第1クラッド部、第2クラッド部および第3クラッド部を有している。光ファイバ母材のコア部は、当初のコアロッドに相当し、線引後の光ファイバのコア部に相当する。光ファイバ母材の第1クラッド部は、当初の第1クラッドパイプに相当し、線引後の光ファイバの第1クラッド部に相当する。光ファイバ母材の第2クラッド部は、当初の第2クラッドパイプに相当し、線引後の光ファイバの第2クラッド部に相当する。また、光ファイバ母材の第3クラッド部は、当初のジャケットに相当し、線引後の光ファイバの第3クラッド部に相当する。
【0077】
この図から判るように、コア部における屈折率分布は2乗分布である。第1クラッド部における屈折率分布は光軸中心に近いほど屈折率が大きく、同様に、第2クラッド部における屈折率分布は光軸中心に近いほど屈折率が大きい。もし、第1クラッドパイプおよび第2クラッドパイプそれぞれの塩素濃度が互いに同程度であれば、第1クラッド部と第2クラッド部との界面の近傍領域に低屈折率のディプレスト部が形成されるところである。しかし、上述した製造方法では第1クラッドパイプの塩素濃度より第2クラッドパイプの塩素濃度が充分に小さいことから、第1クラッド部と第2クラッド部との界面の近傍領域にディプレスト部が形成されていない。上述した製造方法ではジャケット付け後に塩素脱水処理を行わないことから、第3クラッド部における屈折率は径方向に略一定の小さい値となっている。また、コアロッドの外径が比較的大きいので、コアロッドを第1クラッドパイプに挿入した後のコラプスの際にコアロッドの変形が抑制され、コア部と第1クラッド部との界面における気泡(コアロッド表面のGeO2に起因)の発生が抑制される。
【0078】
以上のようにして製造された光ファイバ母材が線引されて得られた光ファイバは、カットオフ波長が980nm以下であり、波長980nmにおけるモードフィールド径が3.9μm〜4.1μmであり、波長1550nmにおける曲げ径20mmφでの曲げ損失が0.8dB/m以下であった。また、このような光ファイバを用いて製造された光ファイバカプラは、波長1550nmにおける過剰損失が0.01dB程度であって測定誤差範囲にとどまった。
【0079】
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
【0080】
上記した第1の実施形態では、光ファイバカプラ1を構成する光ファイバ10,20のクラッド部10b、20bの屈折率分布を調整することで、過剰損失の低減を図っていた。また第2の実施形態では、光ファイバカプラ1を構成する光ファイバ10,20のコア部10a,20aの屈折率分布を調整することで、過剰損失の低減を図っていた。
【0081】
これに対し、第3の実施形態に係る光ファイバカプラ1は、上記した第1及び第2の実施形態に係る光ファイバカプラ双方の特徴を含み、光ファイバカプラ1を構成する光ファイバ10,20のコア部10a、20a及びクラッド部10b,20bの双方の屈折率分布を、第1及び第2の実施形態で説明したのと同様に調整している。このようにすれば、クラッド部10b,20bの屈折率分布を調整することで第1の実施形態に係る光ファイバカプラと同様の作用効果を奏し得ることができ、またコア部10a,20aの屈折率分布を調整することで第2の実施形態に係る光ファイバカプラと同様の作用効果を奏し得ることができ、もって過剰損失のより一層の低減を図ることが可能となる。
【0082】
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、上記した特許請求の範囲に含まれるものである。
【0083】
【発明の効果】
本発明によれば、過剰損失が充分に低減された光ファイバカプラ及び光ファイバカプラ用の光ファイバが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1〜3の実施形態に係る光ファイバカプラの構成を示す図である。
【図2】第1の実施形態に係る光ファイバカプラに用いる光ファイバの屈折率分布の一例を示す図である。
【図3】第1の実施形態に係る光ファイバカプラに用いる光ファイバの屈折率分布の他の例を示す図である。
【図4】比較例1の光ファイバカプラに用いる光ファイバの屈折率分布を示す図である。
【図5】比較例2の光ファイバカプラに用いる光ファイバの屈折率分布を示す図である。
【図6】実施例1の光ファイバカプラの分岐損失及び過剰損失の例を示すグラフである。
【図7】実施例2の光ファイバカプラの分岐損失及び過剰損失の例を示すグラフである。
【図8】比較例1の光ファイバカプラの分岐損失及び過剰損失の例を示すグラフである。
【図9】比較例2の光ファイバカプラの分岐損失及び過剰損失の例を示すグラフである。
【図10】光ファイバのモードフィールド径と曲げ損失との関係を示す図である。
【図11】光ファイバのα値と曲げ損失との関係を示す図である。
【図12】光ファイバの曲げ損失とこの光ファイバを用いた光ファイバカプラの過剰損失との関係を示す図である。
【図13】光ファイバのα値と比屈折率差ピーク値との関係を示す図である。
【図14】第2の実施形態に係る光ファイバカプラに用いられる光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。
【図15】α=2の屈折率プロファイルを有する光ファイバの設計を説明する図である。
【図16】光ファイバ母材の屈折率プロファイルを示す図である。
【図17】過剰損失を説明するための光ファイバカプラの構成を示す図である。
【図18】光ファイバカプラの出力波形を示す図であって、図18(a)は過剰損失が無い例を、図18(b)は過剰損失がある例を示す。
【符号の説明】
1…光ファイバカプラ、10…第1の光ファイバ、20…第2の光ファイバ、10a,20a…コア部、10b,20b…クラッド部。
Claims (10)
- 使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラであって、
前記第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする光ファイバカプラ。 - 前記第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、前記クラッド部の前記屈折率の低下の割合は、径方向の所定領域においてその内側及び外側よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバカプラ。
- 前記第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、前記クラッド部の横断面における平均屈折率と最小屈折率との差が0.02%以下であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバカプラ。
- 前記第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、前記クラッド部の屈折率分布は、SiO2ガラス中における塩素原子、GeO2、及びOH基のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバカプラ。
- 前記第1及び第2の光ファイバそれぞれについて、前記クラッド部の屈折率分布は、光ファイバの線引き時に与えられる内部歪みの分布によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバカプラ。
- 使用波長帯域で単一モードの光伝送を可能とする第1及び第2の光ファイバが並列配置され、融着延伸されて製造される光ファイバカプラ用の光ファイバであって、
コア部の周りに設けられたクラッド部の屈折率は、径方向外側に向かって順次低下していることを特徴とする光ファイバカプラ用の光ファイバ。 - 前記クラッド部の前記屈折率の低下の割合は、径方向の所定領域においてその内側及び外側よりも大きいことを特徴とする請求項6に記載の光ファイバカプラ用の光ファイバ。
- 前記クラッド部の横断面における平均屈折率と最小屈折率との差が0.02%以下であることを特徴とする請求項6に記載の光ファイバカプラ用の光ファイバ。
- 前記クラッド部の屈折率分布は、SiO2ガラス中における塩素原子、GeO2、及びOH基のうちの少なくともいずれかの濃度分布によって形成されていることを特徴とする請求項6に記載の光ファイバカプラ用の光ファイバ。
- 前記クラッド部の屈折率分布は、光ファイバの線引き時に与えられる内部歪みの分布によって形成されていることを特徴とする請求項6に記載の光ファイバカプラ用の光ファイバ。
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