JP4372267B2

JP4372267B2 - 伝搬モード変換素子およびその製造方法

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Publication number: JP4372267B2
Application number: JP17030799A
Authority: JP
Inventors: 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: JP2000356723A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバを用いた光通信システムに有効なフィルタ、光アイソレータ、偏光子などの光部品の製造部品として、あるいは希土類添加ファイバなどの特殊ファイバと通信用の単一モードファイバとの接続用に使用される伝搬モード変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長１．３μｍ、１．５μｍ帯を用いた光通信システムに使用されている種々の光部品は、伝送線路として使用される単一モード光ファイバとの低損失な光結合が不可欠である。
従来、信号光源として使用されるレーザダイオードや、光アイソレータなどのバルク型の光学部品においては、主にレンズを用いた光結合が使用されている。
【０００３】
図６は、光結合が必要なデバイスの例として、従来のバンドパスフィルタの構成の一例を示したものである。
すなわち、一方の端部を光源（図示せず）に接続した単一モード光ファイバ１Ａの他方の端部から放射状に出射する光は、レンズ２を介して単一モード光ファイバ１Ａの光軸と平行な光となって誘電体多層膜フィルタ３に供給される。すると、誘電体多層膜フィルタ３の特性によって特定の波長の光のみが誘電体多層膜フィルタ３を透過する。
ついで、この誘電体多層膜フィルタ３を透過した光は、レンズ２を介して単一モード光ファイバ１Ｂの端面に集光され、この単一モード光ファイバ１Ｂに入射し、単一モード光ファイバ１Ａ，１Ｂ間の光結合が行われる。
【０００４】
このような従来の部品構成において、単一モード光ファイバ１Ａから単一モード光ファイバ１Ｂへの光結合時の透過損失は１ｄＢ以下程度である。
しかしながら、単一モード光ファイバ１Ａ，１Ｂとレンズ２との位置決めをサブミクロン単位の精度で行う必要があり、低価格な光部品の製造が困難となる場合があった。
【０００５】
これに対して特開昭６３−３３７０６号公報には、それぞれが一定の屈折率を有するコアとクラッドとからなる単一モード光ファイバにおいて、正規化周波数を一定に保ちつつ、コア径が徐々に拡大しているファイバ型光波回路素子が提案されている。このファイバ型素子においては、光ファイバの正規化周波数は一定なので、コア径が拡大している部分においても単一モード伝搬となり、基本モードと二次モード以上の高次モードとのモード変換はほとんど発生しない。
【０００６】
このファイバ型素子は、例えば、光ファイバを加熱し、コアに添加されているドーパントを拡散させてコア径を拡大することによって製造する。
そして、このファイバ型素子をふたつ用意し、これらのコア径が拡大している方の端面を、バルク型の光部品を介して対峙させて、これらのファイバ型素子間で前記光部品を介した光結合を行う。
よって、このファイバ型素子においては、上述のように光ファイバとレンズとの高精度の位置決めの必要がない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このファイバ型素子においては、光ファイバの端面から光が放射状に出射されるため、一対のファイバ型素子間において、低損失で光結合が可能な距離は１００μｍ程度であった。
したがって、ファイバ型素子間の距離が大きくなると低損失の光結合が困難となるという問題があった。例えばバルク型の光部品のファイバ型素子の軸方向の長さに対応する長さが１０ｍｍ程度になる場合には、適用が困難であった。
【０００８】
また、このファイバ型素子の製造においては、コア径の拡大量、すなわちドーパントの拡散量の制御に問題があった。つまり、このファイバ型素子においては正規化周波数を保った状態でドーパントが拡散するため、常に単一モード伝搬が保証される。よって、コア径が拡大しても透過光の光パワーは変化しにくく、透過光の光パワーをモニタしても所望の特性を有するかどうかは判定できない。
そのため、拡散量の制御は加熱時の温度と加熱時間という間接的なものとなる。ドーパントの拡散速度は温度に非常に敏感であるため、同一の拡散状態を再現するためには加熱炉などの正確な温度管理が必要となり、コストが上昇し、低価格な部品製造の観点で問題となっていた。
【０００９】
本発明は前記事情に艦みてなされたもので、低損失で光結合可能な素子間の距離が大きい光結合用の素子を提供することを課題とする。
さらに、低コストで製造可能な光結合用の素子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】
前記課題を解決するために、本発明においては以下のような解決手段を提案する。
第１の発明は、ドーパントが添加された中心の第一コアとこの第一コアの外周上に設けられたこの第一コアよりも低屈折率の第二コアとを備えたコアと、このコアの周囲に設けられ、前記第二コアよりも低屈折率のクラッドとを有する光ファイバからなり、この光ファイバの一方の端面にむかって前記第一コアの外径が前記第二コアの外径またはその近傍まで拡大するとともに、前記コアの屈折率分布が連続的に変化する拡径部が設けられ、この拡径部において、前記第一コアを伝搬する光の伝搬モードの一部が前記第二コアの伝搬モードに分配されることにより、前記端面の前記拡径部から出射する出射光が前記第一コアの光軸と平行な平行光となるものであり、前記拡径部は、少なくとも第一コアに添加されたドーパントが第二コアまで拡散し、第一コアと第二コアとが一体化して径方向の屈折率分布形状が釣り鐘状となり、前記一方の端面にむかって前記一体化した領域が径方向に徐々に拡大したものであり、前記拡径部以外の前記第一コアは、使用波長帯において、単一モード伝搬を保証するカットオフ波長を有することを特徴とする伝搬モード変換素子である。
第２の発明は、第１の発明の伝搬モード変換素子において、拡径部のコアの屈折率分布形状が、徐々にグレーデッド型に変化していることを特徴とする伝搬モード変換素子である。
第３の発明は、第１または第２の発明の伝搬モード変換素子において、前記拡径部以外の第二コアの外径が、前記拡径部以外の第一コアの外径の３倍以上、１０倍未満であることを特徴とする伝搬モード変換素子である。
第４の発明は、第一コアがドーパントが添加された石英ガラスからなる光ファイバの途中の一部を加熱して、このドーパントを前記光ファイバの第二コア内に拡散させてコア径が拡大した拡径部を形成する第１ないし第３の発明の伝搬モード変換素子の製造方法であって、前記第一コアの伝搬モードの一部が前記第二コアの伝搬モードに分配されるように前記ドーパントを加熱拡散しながら、この第一コアに基本モードの光を入射し、その透過光の光パワーをモニタし、この透過光の透過損失が増加した後、この透過損失がゼロ付近になった時点であって前記第二コアの伝搬モードに分配された前記第一コアの伝搬モードの一部が前記第一コアの伝搬モードに再結合する際の位相差が整合する時点で加熱を終了し、加熱部の中心部を切断して拡径部の端面を形成することを特徴とする伝搬モード変換素子の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本発明の伝搬モード変換素子の一例を示した斜視図、図１（ｂ）ないし図１（ｄ）は、それぞれ図１（ａ）に示したＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃの位置の屈折率分布形状を示したものである。
図中符号１０は光ファイバであり、この光ファイバ１０は、図１（ｂ）に示したように、第一コア１１ａと、この第一コア１１ａの外周上に設けられ、この第一コア１１ａよりも低屈折率の第二コア１１ｂとからなる、階段状の屈折率分布を有するコア１１と、このコア１１の周囲に設けられた、前記第二コア１１ｂよりも低屈折率のクラッド１２とから構成されている。
この例において、第一コア１１ａはドーパントとしてゲルマニウムを添加した石英ガラスからなり、第二コア１１ｂは純石英ガラスからなり、クラッド１２はドーパントとしてフッ素を添加した石英ガラスから形成されている。ドーパントの添加量は第一コア１１ａ、第二コア１１ｂおよびクラッド１２相互間の比屈折率差によって調整される。
【００１２】
この例においては、第一コア１１ａが略平坦な屈折率分布を有している。また、第一コア１１ａは、１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯などの使用波長帯において、単一モード伝搬を保証するカットオフ波長を有するものである。
第一コア１１ａの屈折率分布形状は、この他１．５μｍ帯分散シフト光ファイバに一般的に用いられている階段型コアなどを例示することができる。
また、第一コア１１ａの外径、および第一コア１１ａの屈折率分布形状と第一コア１１ａとクラッド１２との比屈折率差などによって決定される屈折率分布を調整して、基本モードのモードフィールド径を、使用時またはこの伝搬モード変換素子を用いたデバイス構成時に伝搬モード変換素子に接続する通信用の単一モード光ファイバの基本モードのモードフィールド径と等しくすると、接続損失を小さくすることができ、好ましい。
【００１３】
また、第一コア１１ａと第二コア１１ｂとの比屈折率差は０．２５％以上、好ましくは０．３％以上、１％以下とされる。０．２５％未満の場合は基本モードの曲がりによる損失増加が大きくなり、実質上問題となり、１％をこえると通信用の単一モード光ファイバとの接続損失が無視できなくなる。この例においては０．３％である。
【００１４】
第二コア１１ｂの外径は第一コア１１ａの外径の３倍以上、１０倍未満とされる。３倍未満の場合は第二コア１１ｂを設けた効果、すなわちスポットサイズを拡大し、軸ズレに対して調芯が容易にできる効果がなくなってしまい、また、通信用光ファイバとの接続時に高次モードへの結合の可能性が高くなり、不要な損失となるためであり、１０倍以上の場合はファイバ外径の制約があるためである。
この例において、第一コア１１ａの外径は１０μｍ、第二コア１１ｂの外径は５０μｍ、クラッド１２の外径は１２５μｍである。
第二コア１１ｂとクラッド１２との比屈折率差は０．１％以上とされる。０．１％未満の場合は第二コア１１ｂを設けない場合との差異がないためである。
【００１５】
この光ファイバにおいては、基本モードのモードフィールドの主要な部分は、主に中心の高屈折率の第一コア１１ａに分布し、二次モードのモードフィールドの主要な部分は主に第二コア１１ｂに分布する。
【００１６】
そして、この光ファイバ１０一方の端部に、端面１０ｂにむかって第一コア１１ａの外径が徐々に拡大するとともに、コア１１の屈折率分布が連続的に変化する拡径部１３が形成されて、この伝搬モード変化素子１４が構成されている。
拡径部１３は光ファイバ１０を加熱し、第一コア１１ａに添加されたドーパントを第二コア１１ｂに拡散させることによって形成したものである。
【００１７】
すなわち、拡径部１３の第一コア１１ａの外径が小さいＢ−Ｂにおいては第一コア１１ａ中のドーパントがやや第二コア１１ｂに拡散して図１（ｃ）に示したような屈折率分布形状となり、端面１０ｂのＣ−Ｃにおいては、第一コア１１ａのドーパントが第二コア１１ｂにほとんど拡散し、第一コア１１ａと第二コア１１ｂとが一体化し、コア１１は釣り鐘状、すなわち図１（ｄ）に示したようなグレーデッド型の屈折率分布形状となっている。つまり、拡径部１３においては、コア１１の屈折率分布形状が階段型から徐々にグレーデッド型に変化している。拡径部１３の第一コア１１ａの光軸と平行な方向の長さは、拡径部１３の特性が後述するように最適化されていれば特に限定せず、この例においては５００μｍである。
【００１８】
第一コア１１ａに添加されるドーパントは、屈折率を上昇させる作用を有するゲルマニウムが主に用いられるが、この他、リン、アルミニウムなどを例示することができる。また、クラッド１２の屈折率を低下させるドーパントは、フッ素以外にホウ素などを用いることができる。それらの添加量は第一コア１１ａとクラッド１２の比屈折率差などによって適宜調整する。
このような構造を形成するにおける各構成の材料は特に限定するものではなく、クラッド１２を純石英ガラスから構成し、第一コア１１ａと第二コア１１ｂをともにゲルマニウムを添加した石英ガラスから構成することもできる。また、第一コア１１ａを純石英ガラスから構成し、第二コア１１ｂをホウ素を添加した石英ガラスから構成することもできる。
【００１９】
図２は、伝搬モード変化素子１４の端面１０ａから光を入射したときの基本モードの光の伝搬状態を説明した模式図である。
拡径部１３以外の部分においては、第二コア１１ｂの外径が十分に大きいため、第１コア１１ａに入射された基本モードは、第二コア１１ｂとクラッド１２との境界の影響を受けずに通常の単一モード光ファイバと同様に第一コア１１ａを伝搬する。そして、拡径部１３に至り、第一コア１１ａの外径が第二コア１１ｂの外径に近づくにしたがって、徐々にこの基本モードと第二コア１１ｂを伝搬するモード（主に二次モード）とのモード変換（モード間の結合）が生じ、基本モードの一部が第二コア１１ｂに伝搬する二次モードに分配される。
【００２０】
このようなモード変換は単一モード光ファイバの端面にガラス製の分布屈折率ロッドレンズを設けた場合と同じ作用である。分布屈折率ロッドレンズは、円柱状で、かつ光軸に直交する方向あるいは光軸方向に屈折率の変化（分布）を有するもので、屈折率の連続的な変化によってレンズ作用をするものである。
【００２１】
その結果、端面１０ｂから出射する光は、後述するように拡径部１３を最適化することによって、拡径部１３の透過時にレンズ作用を受けて第一コア１１ａの光軸と平行な光（平行光）となる。
そして、図５（ｂ）に示したように、ふたつの伝搬モード変化素子１４，１４を一対として、これらの拡径部１３，１３の端面どうしが対峙するように配置すると、一方の拡径部１３の端面１０ｂから出射した平行光は他方の拡径部１３の端面１０ｂにて受光され、この拡径部１３において、第二コア１１ｂを伝搬するモードから基本モードへの上述とは逆のモード変換が生じ、伝搬モード変化素子１４，１４間の光結合が行われる。
【００２２】
このように、伝搬モード変化素子１４はひとつの部品でありながら、図６に示した単一モード光ファイバとレンズとを組み合わせたものと同様の作用が得られる。つまり、端面１０ｂから出射される光が平行光であるため、ふたつの伝搬モード変換素子間を低損失で光結合できる距離が長く、数十ｍｍ以上となる。
しかも、この伝搬モード変換素子は単一モード光ファイバとレンズとを一体化した素子であるため、これらの高精度の位置決めを必要とした従来のレンズを用いた構成と比較して低コストとなる。
さらに、この伝搬モード変換素子は、第一コア１１ａが通信用の単一モード光ファイバのコアと同様の構成であるため、通信用の単一モード光ファイバとの接続損失が小さい。
【００２３】
図３はこの伝搬モード変換素子の製造方法の一例を示したものである。図１、２に示したものと同様の構成については同符号を付して説明を省略する。
まず、伝搬モード変化素子１４を構成する石英ガラスを主材料とする光ファイバ１０の上に紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層１０ａが設けられた光ファイバ素線を用意し、その途中の一部の被覆層を除去して光ファイバ１０を露出させる。
【００２４】
そして、光ファイバ１０（光ファイバ素線）の一方の端部を単一モード光ファイバ１５を介して光源と接続し、他方の端部を単一モード光ファイバ１５を介して光パワーメータと接続する。一方、光ファイバ１０を露出させた部分の両端部付近を、それぞれ支持台１６，１６のＶ字状の溝１６ａ，１６ａに配置する。
ついで、支持台１６，１６間の光ファイバ１０の側面を挟むようにふたつの放電電極１８，１８を配置し、これらの間で放電させることによって光ファイバ１０を加熱する。加熱方法は特に限定するものではなく、放電による加熱の他、火炎、電気炉、レーザなどを用いることができる。
この操作は、光源から単一モード光ファイバ１５を介して基本モードの光を光ファイバ１０に入射し、光ファイバ１０を透過する光の光パワーを光パワーメータにてモニタしながら行う。
【００２５】
光ファイバ１０を加熱すると、図５（ａ）に示したように、加熱部分の第一コア１１ａのドーパントが拡散して第一コア１１ａの外径が拡大し、第二コア１１ｂの外径に近づく。このとき光ファイバ１０の長さ方向における加熱部分の中心が最もドーパントの拡散量が大きく、この加熱部分の両端部に向かってドーパントの拡散量が小さくなる。よって、加熱部分の中心において、最も第一コア１１ａの外径の拡大量が大きく、第二コア１１ｂの外径に最も近づき、加熱部分の両端部にむかって第一コア１１ａの外径が徐々に縮径する。この例においては、加熱部分の中心の第一コア１１ａの外径は第二コア１１ｂの外径とほぼ等しくなっている。すなわち、光ファイバ１０を加熱すると、中心部の屈折率分布形状は、図１（ｂ）から図１（ｄ）に示したように変化するが、両端部は図１（ｂ）に示した形状にとどまっていることになる。
その結果、ふたつの円錐体の底面をつきあわせた形状の加熱拡散部（加熱部）２０が形成される。
そして、後述するように光パワーをモニタした結果から、透過損失がゼロ付近となった時点で加熱操作を終了する。最後に、図５（ｂ）に示したように加熱拡散部２０の中心で光ファイバ１０を切断し、一対の伝搬モード変化素子１４，１４を得る。
【００２６】
図４は、上述の光パワーのモニタ結果から得られる加熱拡散部２０形成時の加熱拡散時間と光ファイバ１０の透過損失との関係を示したグラフである。加熱開始時は、第一コア１１ａを伝搬する基本モードと第二コア１１ｂを伝搬するモードとのモード変換が発生しないため、第二コア１１ｂとクラッドとの境界の影響を受けず、透過損失の増加はほとんどないが、加熱拡散時間が長くなるにしたがって徐々に透過損失の増加と減少を繰り返すようになる。
【００２７】
すなわち、図５（ａ）に示した加熱拡散部２０において、はじめに基本モードの一部が第二コア１１ｂを伝搬するモードにモード変換し、再びこのモードに分配された光が基本モードにモード変換する。そして、このふたつのモード変換が最適化されている場合、すなわち基本モードに再結合する際の位相差が整合する場合は透過損失が小さくなり、ゼロ付近になるが、最適化されていない場合、すなわち基本モードに再結合する際の位相差が整合しない場合は透過損失が増大する。
そして、この透過損失が小さくなるとき、図２に示したように拡径部１３側の端面１０ｂから出射される光は平行光となる。
【００２８】
よって、本発明の伝搬モード変換素子を製造するにおいては、図４に示したグラフに矢印で示したように、はじめに透過損失が増大した後減少して、ゼロ付近（０〜０．１ｄＢの範囲）となった時点で加熱拡散を終了すると、本発明の伝搬モード変換素子の特性が得られる。このグラフからわかるように、透過損失の増加と減少は繰り返されるので、この矢印で示した時点よりも加熱拡散時間が長くなっても透過損失がゼロ付近となる時点が存在するが、効果に差異は少なく、また、製造効率、コストなどの観点から、図４に示したように、はじめにゼロ付近となった時点で終了すると好ましい。
このように本発明の伝搬モード変換素子は、製造時に光パワーをモニタすることによって特性を制御できるため、再現性が良好である。よって製造コストを低減することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の伝搬モード変換素子は、ひとつの部品でありながら、従来の単一モード光ファイバとレンズとを組み合わせたものと同様の作用が得られ、ふたつの伝搬モード変換素子間を低損失で光結合できる距離が長く、数十ｍｍ以上となる。
しかも、この伝搬モード変換素子は単一モード光ファイバとレンズとを一体化した素子であるため、これらの高精度の位置決めを必要とした従来のレンズを用いた構成と比較して低コストとなる。
また、この伝搬モード変換素子は、製造時に光パワーをモニタすることによって特性を制御できるため、再現性が良好で、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の伝搬モード変化素子の一例を示した斜視図、図１（ｂ）ないし図１（ｄ）は図１（ａ）に示したＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃに示した位置の屈折率分布形状を示した図である。
【図２】図１（ａ）に示した伝搬モード変化素子の端面から光を入射したときの基本モードの光の伝搬状態を説明した模式図である。
【図３】図１（ａ）に示した伝搬モード変換素子の製造方法の一例を示した説明図である。
【図４】本発明の伝搬モード変換素子製造時の加熱拡散時間と光ファイバの透過損失との関係の一例を示したグラフである。
【図５】図５（ａ）、図５（ｂ）は本発明の伝搬モード変換素子の製造途中の光ファイバを示した斜視図である。
【図６】従来のバンドパスフィルタの構成の一例を示した説明図である。
【符号の説明】
１０…光ファイバ、１０ａ，１０ｂ…端面、１１…コア、
１１ａ…第一コア、１１ｂ…第二コア、１２…クラッド、１３…拡径部、
１４…伝搬モード変化素子、２０…加熱拡散部（加熱部）。

Claims

ドーパントが添加された中心の第一コアとこの第一コアの外周上に設けられたこの第一コアよりも低屈折率の第二コアとを備えたコアと、このコアの周囲に設けられ、前記第二コアよりも低屈折率のクラッドとを有する光ファイバからなり、
この光ファイバの一方の端面にむかって、
前記第一コアの外径が前記第二コアの外径またはその近傍まで拡大するとともに、前記コアの屈折率分布が連続的に変化する拡径部が設けられ、
この拡径部において、前記第一コアを伝搬する光の伝搬モードの一部が前記第二コアの伝搬モードに分配されることにより、前記端面の前記拡径部から出射する出射光が前記第一コアの光軸と平行な平行光となるものであり、
前記拡径部は、少なくとも第一コアに添加されたドーパントが第二コアまで拡散し、第一コアと第二コアとが一体化して径方向の屈折率分布形状が釣り鐘状となり、前記一方の端面にむかって前記一体化した領域が外径方向に徐々に拡大したものであり、
前記拡径部以外の前記第一コアは、使用波長帯において、単一モード伝搬を保証するカットオフ波長を有する
ことを特徴とする伝搬モード変換素子。
請求項１に記載の伝搬モード変換素子において、拡径部のコアの屈折率分布形状が、徐々にグレーデッド型に変化していることを特徴とする伝搬モード変換素子。
請求項１または２に記載の伝搬モード変換素子において、前記拡径部以外の第二コアの外径が、前記拡径部以外の第一コアの外径の３倍以上、１０倍未満であることを特徴とする伝搬モード変換素子。
第一コアがドーパントが添加された石英ガラスからなる光ファイバの途中の一部を加熱して、このドーパントを前記光ファイバの第二コア内に拡散させてコア径が拡大した拡径部を形成する請求項１ないし３のいずれかに記載の伝搬モード変換素子の製造方法であって、
前記第一コアの伝搬モードの一部が前記第二コアの伝搬モードに分配されるように前記ドーパントを加熱拡散しながら、この第一コアに基本モードの光を入射し、その透過光の光パワーをモニタし、この透過光の透過損失が増加した後、この透過損失がゼロ付近になった時点であって前記第二コアの伝搬モードに分配された前記第一コアの伝搬モードの一部が前記第一コアの伝搬モードに再結合する際の位相差が整合する時点で加熱を終了し、加熱部の中心部を切断して拡径部の端面を形成することを特徴とする伝搬モード変換素子の製造方法。